Ein Chip kann für sich funktionieren und im fertigen Rechner trotzdem Probleme bereiten. Denn in einem Chiplet-System müssen mehrere kleine Siliziumbausteine über winzige Kontakte zusammenarbeiten. Für Steuerrechner im Auto reicht es daher nicht, die Einzelteile zu prüfen: Auch Verbindungen, Wärmewege und der mechanische Aufbau zählen.
Wie das praktisch aussieht, zeigt das deutsche Forschungsprojekt CeCaS. Das Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM hat dafür verschiedene Versuchsaufbauten gefertigt. Sie helfen zu untersuchen, ob Kontakte über mehrere Ebenen hinweg funktionieren und wie sich Wärme aus einem dicht gepackten Modul ableiten lässt. Das Ergebnis ist ein Blick auf die Arbeit zwischen einem funktionierenden Baustein und einem verlässlichen Gesamtsystem.
Viele kleine Bausteine, ein gemeinsamer Rechner
Ein Chiplet ist ein kleiner Halbleiterbaustein mit einer bestimmten Aufgabe. Mehrere solcher Bausteine sitzen in einem gemeinsamen Gehäuse und tauschen Daten aus. Ein Rechner kann so etwa Rechenlogik und andere Funktionen kombinieren, die auf unterschiedlichen Fertigungsverfahren beruhen. Wie Chiplets Prozessoren modular machen, erklärt der Grundlagenartikel.
Der Vorteil hat einen Preis: Wo vorher Verbindungen innerhalb eines Siliziumstücks verliefen, müssen bei einem modularen Aufbau zusätzliche Übergänge zwischen Bausteinen und Trägern funktionieren. Das belgische Forschungszentrum imec beschreibt, dass einzelne Chiplets vor der Montage und anschließend auch das zusammengesetzte System samt Verbindungen geprüft werden müssen. Ein klassischer Einzelchip kann beim Test einfacher sein, weil diese Übergänge zwischen mehreren Dies entfallen.
Gerade für Fahrzeuge ist Zuverlässigkeit wichtig. Ein zentraler Fahrzeugrechner soll unterschiedliche Funktionen unterstützen und mit anderen Komponenten kommunizieren. Ein fehlerfreier Einzelbaustein sagt aber noch nicht, ob seine Verbindung zum Nachbarbaustein oder zum Träger nach der Montage einwandfrei ist. Die Prüfaufgabe wächst mit dem Aufbau.
Wo der Test ansetzt
Im Projekt CeCaS arbeitete das Fraunhofer IZM an drei unterschiedlichen Chiplet-Aufbauten auf organischen Schaltungsträgern. Das Projekt lief von Dezember 2022 bis November 2025 und untersuchte Hardware und Software für künftige Fahrzeugrechner. Die Aufbauten sind Forschungsfahrzeuge im technischen Sinn: Sie dienen dazu, Fertigung und Prüfmethoden zu erproben. Sie sind kein Nachweis, dass ein bestimmtes Serienfahrzeug bereits damit fährt.
Bei einem elektrischen Testboard verbanden die Beteiligten Teststrukturen über verschiedene Ebenen: vom Chip über Zwischenträger bis zur Leiterplatte. Ein Zwischenträger, oft Interposer genannt, vermittelt dabei Verbindungen zwischen den Bausteinen und dem darunterliegenden Aufbau. Die Teststruktur soll es ermöglichen, die Unversehrtheit der Kontakte auf jeder Ebene des Gesamtaufbaus nachzuweisen.
Ein weiteres Testboard enthält unterschiedlich große und angeordnete Chips. Daran lässt sich untersuchen, wie Wärme nach oben und unten abgeführt werden kann. Die räumliche Anordnung spielt eine Rolle: Bausteine benötigen Platz für ihre Verbindungen, erzeugen aber auch Wärme. Beides muss in der Planung zusammenpassen. Eine einzelne besonders leistungsfähige Komponente löst diese Aufgabe nicht allein.
Warum das Abkühlen Spannungen erzeugt
Eine Schwierigkeit entsteht bereits bei der Herstellung. Die Chips werden mit kleinen Kontaktstellen auf einem Träger befestigt. Beim Löten wird der Aufbau erhitzt und anschließend wieder abgekühlt. Silizium und die Materialien des Trägers dehnen sich bei Temperaturänderungen unterschiedlich stark aus. Beim Abkühlen ziehen sie sich deshalb unterschiedlich zusammen.
Das kann mechanische Spannungen und eine Verwölbung des Moduls erzeugen. Fraunhofer beschreibt, wie Materialauswahl und Temperaturführung helfen sollen, die Verformung zu begrenzen. Die Forschenden vermessen den Aufbau nach einzelnen Prozessschritten dreidimensional. So sehen sie, wann sich seine Form verändert, und können den jeweiligen Fertigungsschritt anpassen.
Der Unterschied zum reinen Funktionstest ist entscheidend: Ein elektrisches Signal zeigt, ob eine Verbindung unter den jeweiligen Testbedingungen funktioniert. Die Messung der Form zeigt zusätzlich, wie sich der Aufbau im Prozess verzieht. Beide Informationen beantworten unterschiedliche Fragen und ergänzen sich. Aus einem solchen Forschungsergebnis lässt sich allerdings keine allgemeine Lebensdauer für alle Chiplet-Systeme ableiten.
Modularität spart nicht jede Prüfung
Die Aufteilung in Bausteine kann trotzdem Entwicklungsarbeit sparen. Fraunhofer beschreibt als Beispiel den Austausch einer Recheneinheit in einem bereits qualifizierten Aufbau, sofern wesentliche Eigenschaften wie Geometrie, Material und Kontaktanordnung ähnlich bleiben. Dann muss möglicherweise weniger neu qualifiziert werden als bei einem vollständig veränderten System. Ob das gelingt, hängt vom konkreten Austausch ab.
Imec weist zugleich darauf hin, dass ein einzelner großer Chip für manche Aufgaben sinnvoll bleibt. Eng gekoppelte Funktionen können dort ohne zusätzliche Verbindungen zwischen Chiplets kommunizieren; außerdem sind Entwurfs- und Prüfverfahren für solche Chips etabliert. Bei modularen Systemen kommen dagegen zusätzliche Fragen zu Kontakten, Wärme und mechanischer Belastung hinzu.
Die Versuche von CeCaS machen diese Abwägung anschaulich. Chiplets können einen Fahrzeugrechner flexibler gestalten. Damit aus den einzelnen Bausteinen ein verlässliches System wird, müssen Entwickler aber den gesamten Weg betrachten: vom einzelnen Chip über seine Kontakte bis zum Wärme- und Fertigungsverhalten des montierten Aufbaus.
Quellen
- Fraunhofer IZM: Vom Labor ins Fahrzeug: Prozessoptimierung für Automotive-Chiplets, 20. November 2025.
- imec: When does it make sense to move from a monolithic ASIC to a chiplet-based design?
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