Chiplet-innovaties voor Europa: startschot voor de APECS-proeflijn in het kader van de EU Chips Act

In het kader van de APECS-pilootlijn zal het mogelijk zijn om de R&D-infrastructuur voor halfgeleidertechnologieën en -toepassingen de komende jaren verder uit te breiden. © loewn/Bernhard Wolf / Within the framework of the APECS pilot line will be possible to further expand the R&D infrastructure for semiconductor technologies and applications in the coming years. © loewn/Bernhard Wolf

Post-CMOS druksensor-chiplets met wafer-level behuizingen vóór hun scheiding. © Fraunhofer ISIT / Post-CMOS druksensor-chiplets met wafer-level verpakking vóór dicing. © Fraunhofer ISIT

De pilotlijn voor »Advanced Packaging and Heterogeneous Integration for Electronic Components and Systems« (kortweg APECS) is een belangrijke bouwsteen van de EU Chips Act om chiplet-innovaties te stimuleren en de onderzoeks- en productiecapaciteiten voor halfgeleiders in Europa te vergroten. De in de onderzoeksfabriek Mikroelektronica Deutschland (FMD) samenwerkende instituten werken nauw samen met andere Europese partners aan de opbouw van de APECS-pilotlijn en leveren daarmee een belangrijke bijdrage aan het versterken van de technologische veerkracht van Europa en het vergroten van de wereldwijde concurrentiekracht in de halfgeleiderindustrie. Zowel grote industriële ondernemingen als MKB en start-ups krijgen via de pilotlijn een laagdrempelig toegang tot cutting-edge technologieën en worden verzekerd van veilige, veerkrachtige halfgeleiderwaardeketens. APECS wordt mede gefinancierd door Chips Joint Undertaking en door nationale subsidies van België, Duitsland, Finland, Frankrijk, Griekenland, Oostenrijk, Portugal en Spanje binnen het kader van de »Chips for Europe«-initiatief. De totale financiering voor de APECS-pilotlijn bedraagt 730 miljoen euro over 4,5 jaar.

Europa beschikt over een dynamisch ecosysteem van toonaangevende bedrijven in traditionele sectoren, kleine en middelgrote ondernemingen (MKB) en start-ups, waarvan het concurrentievoordeel ook berust op geavanceerde halfgeleideroplossingen die de basis vormen voor innovaties. Deze bedrijven staan echter voor de uitdaging dat de toegang tot geavanceerde technologieën beperkt is vanwege gebrek aan middelen in Europa. De Europese Commissie investeert binnen het kader van de EU Chips Act aanzienlijke middelen in het versterken van halfgeleidertechnologieën en -toepassingen in de EU. Hiermee moeten de technologische veerkracht van Europa worden verhoogd, toeleverings- en waardeketens worden beveiligd en innovaties in kernsectoren zoals kunstmatige intelligentie, mobiliteit, productie, informatietechnologieën en communicatietechnologieën, betrouwbare en ecologisch duurzame elektronica, evenals neuromorfe en kwantumcomputing worden bevorderd.

De APECS-pilotlijn richt zich hierbij op de schaalbare industriële overdracht van nieuw ontwikkelde innovaties op het gebied van heterogene integratie*, met name bij het gebruik van nieuwe chiplet**-technologieën en legt zo de brug naar toepassingsgerichte research. APECS gaat verder dan traditionele »System-in-Package-methoden« (SiP) en streeft ernaar robuuste en betrouwbare heterogene systemen te leveren die de innovatiemogelijkheden van de Europese halfgeleiderindustrie aanzienlijk vergroten.

Investeringen in strategische projecten zoals APECS binnen het kader van de EU Chips Act zijn van cruciaal belang om Europa te positioneren als een onmisbare partner in de wereldwijde technologische sector. Duitsland speelt hierin een sleutelrol – zowel als toonaangevende onderzoekslocatie als economische kracht. Dankzij de aanzienlijke steun van het Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) en de deelstaten Saksen, Berlijn, Beieren, Sleeswijk-Holstein, Baden-Württemberg, Noordrijn-Westfalen, Brandenburg en Saksen-Anhalt is het de komende jaren mogelijk om de R&D-infrastructuur binnen de APECS-pilotlijn verder uit te bouwen. Dit is een belangrijke stap om de langetermijn economische stabiliteit van Duitsland en Europa te waarborgen.

»Fraunhofer speelt een centrale rol bij de uitvoering van grote projecten zoals APECS, die de innovatiekracht en technologische veerkracht van Duitsland versterken«, benadrukt Prof. Holger Hanselka, voorzitter van de Fraunhofer-Gesellschaft. »Door ons praktijkgerichte onderzoek en de nauwe samenwerking met industrie, wetenschap en politieke partners creëren we de basis om de nieuwste technologieën niet alleen te ontwikkelen, maar ook in de industriële toepassing te brengen. De APECS-pilotlijn staat symbool voor de brug tussen onderzoek en economie en onderstreept hoe een nauwe samenwerking met ministeries en andere partners de positie van Europa op de wereldmarkt voor micro-elektronica duurzaam kan versterken.«

Innovaties precies daar waar de Europese industrie ze het hardst nodig heeft

De APECS-pilotlijn heeft tot doel nieuwe functionaliteiten te activeren door middel van de zogenaamde »System Technology Co-Optimization« (STCO) en integratietechnologieën te uniformeren. Dit stelt bedrijven in staat om geavanceerde producten ook in kleine series tegen concurrerende kosten te ontwikkelen. Door het aanbieden van een breed scala aan technologieën in één One-Stop-Shop wordt APECS in de toekomst Europa’s leidende hub voor advanced packaging en heterogene integratie en neemt daarmee een cruciale sleutelrol in de Europese micro-elektronica in.

Als drijvende kracht achter de samenwerking tussen Europese onderzoeksinstellingen, industrie en universitair onderzoek bevordert de APECS-pilotlijn een levendig innovatie-ecosysteem. Als uitgebreide platform integreert APECS end-to-end ontwerp- en pilotproductiecapaciteiten en maakt zo de verdere ontwikkeling van innovaties mogelijk, van fundamenteel onderzoek tot realiseerbare, schaalbare fabricageprocessen.

APECS zal een essentiële rol spelen bij de overgang van Europa naar een klimaatneutrale en circulaire economie door eco-ontwerp en duurzame fabricatie-initiatieven te stimuleren.

Innovatie door sterke samenwerking op meerdere niveaus

De APECS-pilotlijn bouwt voort op de structuren die zijn opgezet in de Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD). In Duitsland zijn in totaal twaalf instituten van de Fraunhofer-Gesellschaft voor micro-elektronica en de twee Leibniz-instituten FBH en IHP betrokken bij APECS. De werkzaamheden worden geleid door het kantoor in Berlijn.

Prof. Albert Heuberger, woordvoerder van de Fraunhofer-Gesellschaft voor micro-elektronica en voorzitter van de stuurgroep van de FMD, benadrukt: »Het succes van de EU Chips Act berust op sterke partnerschappen en veelzijdige knowhow. Dit brengt de FMD met zich mee door de kracht van gedecentraliseerde onderzoeksinstellingen te verbinden. Op dit fundament bouwt ook APECS en kan het uitgroeien tot een langdurige toegankelijke pilotlijn voor alle Europese belanghebbenden over de gehele waardeketen. Samen met de andere pilotlijnen binnen het kader van de EU Chips Act is APECS een cruciale component voor heterogene integratie en advanced packaging van een overkoepelende pan-Europese micro-elektronica-pilotlijn.«

In een sterk Europees consortium bundelt APECS de technologische competenties, infrastructuren en het knowhow van in totaal tien partners uit acht Europese landen: Duitsland (Fraunhofer-Gesellschaft als coördinator, FBH, IHP), Oostenrijk (TU Graz), Finland (VTT), België (imec), Frankrijk (CEA-Leti), Griekenland (FORTH), Spanje (IMB-CNM, CSIC) en Portugal (INL). De APECS-pilotlijn wordt gecoördineerd door de Fraunhofer-Gesellschaft en geïmplementeerd door de Forschungsfabrik Mikroelektronik Deutschland (FMD).

*Over Heterogene Integratie

De halfgeleideronderzoek en -ontwikkeling vormen het hart van de huidige technologische (R)Evoluties, die zich uitstrekken van kunstmatige intelligentie en high-performance computing tot moderne verdedigingssystemen, robotica, vermogenselektronica, draadloze communicatie, e-Health, kwantumtechnologieën en meer. Toekomstige elektronische systemen zullen steeds meer functies vereisen die niet door één enkele chip kunnen worden gerealiseerd, zelfs niet met geavanceerde zogenaamde System-on-Chip (SoC)-concepten. Heterogene integratie zal verder gaan dan de huidige System-in-Package- (SiP) benaderingen en is van cruciaal belang voor elektronische systemen en apparaten van de volgende generatie, die gebaseerd zijn op toekomstige CMOS-knooppunten, SiGe, SiC, III/V-materialen zoals GaAs of GaN en alle verschillende soorten micro-elektromechanische systemen (MEMS).

**Over Chiplets

Het idee achter chiplets is het gebruik van verschillende soorten Intellectual Property (IP), die voor specifieke functies kunnen worden ingezet. Onder IP-cores wordt een herbruikbare, vooraf ontworpen functionele blok van een chipontwerp verstaan in de halfgeleiderindustrie. Deze wordt meestal door de ontwikkelaar als intellectueel eigendom gelicenseerd aan andere IC-ontwerpers, zodat deze in een ander, meestal groter, IC-ontwerp kunnen worden geïntegreerd. De verschillende blokken zijn al getest en kunnen als een puzzel worden samengevoegd, zodat bestaande IC-structuren kunnen worden gebruikt en alleen onderdelen opnieuw hoeven te worden ontworpen. Een chiplet is dus geen volledig functionerende enkele chip, maar een onderdeel van een chip dat met andere functionele elementen kan worden gecombineerd. De concepten en eerste implementaties van chiplets beloven niet alleen hogere integratiedichtheden, maar raken ook aan milieueigenschappen van elektronica met betrekking tot hulpbronnenefficiëntie, kritieke grondstoffen, modulariteit en hergebruik van ontwerpblokken.