Zuverlässigkeit elektronischer Komponenten und Systeme durch intelligente Sensoren und KI erhöhen

Bert de Colvenaer (Executive Director of ECSEL-JU, 2.v.r.) überzeugt sich bei einem Besuch in Villingen-Schwenningen von der Leistungsfähigkeit der Hahn-Schickard-Sensoren (ganz links: Institutsleiter Prof. Alfons Dehé).
Quelle: Hahn-Schickard
11.05.2020

Elektronik ist in unserem täglichen Leben allgegenwärtig: Verkehr und Mobilität, industrielle Produktion und Energiesektor, Kommunikation, Medien und Gesundheitssystem basieren auf hochkomplexen elektronischen Komponenten und Systemen (ECS, electronic components and systems). Wir sind in starkem Maße davon abhängig, dass Elektronik jederzeit funktioniert und dass Zuverlässigkeitsprobleme frühzeitig erkannt werden können. Die Verbesserung der Zuverlässigkeit durch konsequente Verringerung der Ausfallrate ist das zentrale Thema des Projektes iREL40 (Intelligent Reliability 4.0). Hahn-Schickard setzt im Rahmen des Vorhabens einen intelligenten Sensor und Künstliche Intelligenz zur Erkennung von Schadensmustern ein.

Künstliche Intelligenz hilft, Schadensmuster und Materialermüdung frühzeitig zu erkennen

Bei jedem Schaltvorgang treten in Leistungselektronik starke thermische Lasten auf, die im Laufe der Zeit eine Baugruppe in Summe so stark schädigen können, dass sie ausfällt. Daher sollen im Rahmen des Vorhabens erstmals spezielle CMOS-Sensorchips von Hahn-Schickard so in Baugruppen eingebracht werden, dass jederzeit im Betrieb relevante Größen für die Schadensursachen – etwa mechanische Verformungen oder Haarrisse - erfasst werden können. Die Bewertung dieser Signale mittels Künstlicher Intelligenz (Embedded AI/Deep Learning) soll es gestatten, Schadensmuster und Materialermüdung frühzeitig zu erkennen (Predictive Maintenance). Zusammen mit einem geeigneten Simulationsmodell (Digital Twin) sollen die Betriebsparameter der Baugruppen dann so optimiert werden, dass Schädigungen minimiert werden und im Idealfall überhaupt nicht mehr auftreten (Erhöhung des Nutzungszeitraums und damit verbundene Kostenreduktion). Die praktische Erprobung dieses innovativen Ansatzes erfolgt in enger Zusammenarbeit mit der Schweizer Electronic AG in Schramberg, der österreichischen AVL GmbH, die KFZ-Elektronik und Prüftechnik entwickelt, und der X-FAB, die verbesserte Design-Tools für die Sensorchips bereitstellt und die Chips auch fertigen wird. 

Das Vorhaben ist Teil des Projektes iREL40 mit 77 Partnern aus 14 Ländern, das durch die Europäische Industriepartnerschaft ECSEL-JU gemeinsam mit zahlreichen nationalen Fördergebern (in Deutschland: BMBF) über mehrere Jahre mit insgesamt achtstelligen Summen gefördert wird.

Projekt bringt weltweit führende Zuverlässigkeitsexperten zusammen

Andere Projektpartner wollen durch geeignete Simulationen und Modellbildung, den physikalischen Ursachen von Schäden an Elektronik auf den Grund gehen (Stichwort: Physics of Failure), Materialien, Design-Methoden und Fertigungstechnologien für Chips, Gehäuse oder komplette Elektroniksysteme optimieren oder Themen wie Zuverlässigkeitsvalidierung und Folgenabschätzung vorantreiben. Beschleunigung der Markteinführung durch Vermeidung von Zuverlässigkeitsproblemen und unnötigen Design-Iterationen - Reduzierung der Qualitätskosten durch verbesserte Analytik und KI-basiertes Wissen über Ausfallmechanismen - Verbesserung der funktionalen Sicherheit durch einen Null-Fehler-Ansatz - Kostensenkung durch den Übergang von einem reaktiven zu einem prädiktiven Zuverlässigkeitsverständnis in der gesamten ECS-Wertschöpfungskette sind nur einige der weiteren Themen, die in dem Projekt beleuchtet werden. 

Das Vorhaben startete am 1. Mai 2020 und bringt zum ersten Mal weltweit führende Zuverlässigkeitsexperten und europäisches Fertigungs-Know-how zusammen, um eine nachhaltige gesamteuropäische „reliability community“ zu schaffen. Unter den Partnern sind allein 10 Großunternehmen, die Halbleiter-Produktionsstätten in Europa betreiben. Zu den Deutschen Partnern gehören u.a. Infineon (Koordinator), Bosch, Elmos, X-FAB und die Fraunhofer-Gesellschaft. Durch die enge und vielschichtige Zusammenarbeit zwischen Industrie, anwendungsnahen Forschungseinrichtungen und eher grundlagenorientierten Instituten auf dem extrem herausfordernden Thema der Zuverlässigkeit sichert das Projekt mehr als 25.000 Arbeitsplätze - etwa in den teilnehmenden Produktions- und Teststandorten in Europa. Die erwarteten Projektergebnisse sollen einfließen in Anwendungen aus den Bereichen Energieeffizienz, E-Mobilität, autonomes Fahren und Internet der Dinge (IoT).

Kontakt: Dr. Stephan Karmann, Hahn-Schickard
Stephan.Karmann@Hahn-Schickard.de