Sichere Elektronik

© Fraunhofer EMFT

ESD Systemtest mit breitbandiger Messung des Sekundärentladungsstroms

IoT, Industrie 4.0, Big Data – ohne Frage hat die Digitalisierung in nahezu allen Bereiche unseres täglichen Lebens Einzug gehalten. Als „Infrastruktur“ dieser vernetzten Welt benötigt man sichere elektronische Systeme. Das Wort „sicher“ hat dabei verschiedene Facetten.

Einerseits müssen vor allem in sensiblen Einsatzbereichen wie der Medizintechnik, Automobilindustrie und Luft- und Raumfahrttechnologie elektronische Systeme zu 100 % zuverlässig im Sinne von ausfallsicher funktionieren. Die Fraunhofer EMFT verfolgt in ihren F&E-Aktivitäten das Ziel, so genannte „Zero-Defect-Systeme“ zu ermöglichen:

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  • Ausfallanalyse und Charakterisierung: In den Messlaboren der Fraunhofer EMFT können umfangreiche multiparametrische Charakterisierungen und Zuverlässigkeitstests für elektronische Komponenten und Baugruppen durchgeführt werden. Mit Hilfe der multiparametrischen Charakterisierung lassen sich unter Laborbedingungen physikalische Einflussgrößen wie Spannung, Strom, Temperatur, Licht, Feuchte, Gase, usw. als Eingangsgrößen simulieren sowie die Reaktion des Bauelementes auf die jeweiligen Einflussgrößen alleine und als Kollektiv ermitteln und mit der Simulation abgleichen. Die Ergebnisse dienen als Grundlage für Aussagen zu Messgenauigkeit und Reproduzierbarkeit. Einzelne integrierte Schaltungen können für weitergehende Ausfallanalysen und elektrische Tests in alternative Gehäuse und Kontaktsysteme umgesetzt oder auf dem Waferprober mit Prüfnadeln kontaktiert werden. Mittels geeigneter Belastungstests, die relevante Fehlermechanismen adressieren, lassen sich darüber hinaus die zu erwartende Zuverlässigkeit und Lebensdauer von Komponenten und Modulen ermitteln. Die systematische Analyse der Ursachen komplexer Fehler und Zuverlässigkeitsprobleme von elektronischen Komponenten und Systemen und deren Reproduktion unter Laborbedingungen bis hin zur Identifikation von Fälschungen runden das Angebot ab. Die Anforderungen reichen von einfacher Industrieelektronik bis zu komplexen Raumfahrtqualifikationen.
  • ESD Test- und Schutzkonzepte: Die Gruppe „Analyse und Test“ beschäftigt sich seit mehr als 25 Jahren mit dem Thema ESD-Schutz und unterstützt Industriekundinnen und -kunden aus unterschiedlichsten Branchen bei der Risikoanalyse und der Entwicklung individueller ESD-Schutzstrukturen für Bauteile und Systeme. Mit dem so genannten Capacitive Coupled Transmission Line Pulsing (CC-TLP) haben die Forschenden eine Messtechnik entwickelt und patentiert, die bei der Bauteilprüfung eine wesentlich höhere Genauigkeit und Reproduzierbarkeit als der gebräuchliche CDM (Charged Device Model) Test aufweist. Dies ist vor allem bei hochminiaturisierten Bausteinen mit sehr geringer ESD-Toleranz wichtig. Auf Systemebene sind die Expertinnen und Experten der Fraunhofer EMFT darauf spezialisiert, auch designbedingte Störeffekte aufzuspüren und geeignete Schutzkonzepte zu entwickeln.
  • Funktionale Sicherheit: Bei sicherheitsrelevanten Anwendungsfeldern, z.B. dem autonomen Fahren, der Luft- und Raumfahrt, aber auch medizinischen Anwendungen, ist absolute Zuverlässigkeit der elektronischen Systeme unerlässlich. Es werden Konzepte benötigt, die im Fall einer Fehlfunktion sicherstellen, dass das Gesamtsystem weiterarbeitet und keine Gefahr für die Anwenderinnen und Anwender entsteht. Im aktuell bearbeiteten Projekt Autokonf wird mittels eines von der Fraunhofer EMFT entwickelten Schalters eine multifunktionale Reserve-Steuereinheit im laufenden Betrieb bei limitiertem Zeitfenster auf einen Synchronmotor aufgeschaltet. Die multifunktionale Steuereinheit ersetzt die klassische Redundanz mehrerer einzelner Einheiten für ein zeitlich limitiertes Erreichen des sicheren Zustandes. 
  • Spezielle Qualifikationsprozesse: Nicht alle Einsatzfälle von elektronischen Baugruppen, Steckern und Schaltern können durch genormte Prüfungen zuverlässig abgeprüft werden. An der Fraunhofer EMFT werden zur Lebensdauerabsicherung bereits vor der Serienfertigung Prüfmethoden entwickelt, welche mögliche Belastungen gerafft beschreiben. Im eigenen Labor können die Umwelttests mit und ohne Strombelastung bei gleichzeitigem Monitoren charakteristischer Größen durchgeführt werden. Die Wirksamkeit von Schutzmaßnahmen gegen klimatische Belastungen von elektronischen Baugruppen (Betauung) wird im Labor messtechnisch dokumentiert und mögliche Verbesserungen werden zusammen mit dem Kunden diskutiert und verifiziert. 
  • Monitoring von elektrischen Verbindungen: Im Rahmen des IoT spielt die Konnektivität zwischen den Systemen eine wesentliche Rolle. Die Funktionstüchtigkeit des Gesamtsystems hängt davon ab, dass die elektrischen Schnittstellen (feste und bewegliche Kontakte) jederzeit funktionieren. Integrierte Sensorik ermöglicht ein kontinuierliches Monitoring des Zustandes der Verbindung, und hilft so, Systemausfälle durch defekte Kontakte zu vermeiden.

Der zweite Aspekt von „Sicherheit“, der im Zeitalter der Digitalisierung immer mehr an Bedeutung gewinnt, ist der Schutz elektronischer Systeme vor Manipulation und ungewolltem Zugriff. Nur wenn die Sicherheit von Daten gewährleistet ist, werden IoT-Anwendungen auf breite Akzeptanz stoßen. Hier kommen Begriffe wie Hardwaresicherheit und Manipulationsschutz ins Spiel: Denn zum Schutz sensibler Daten in elektronischen Systemen, z.B. im Umfeld von Banking, Smart Grid/Smart Metering, beim Umgang mit Patientendaten oder dem Betrieb kritischer Infrastrukturen, reichen softwarebasierte Lösungen oft nicht aus. 

  • Auf Basis von Sensoren und so genannten Physical Unclonable Functions (PUF) entwickelt die Fraunhofer EMFT hardwarebasierte Lösungen zum Manipulationsschutz elektronischer Systeme. Eine Möglichkeit ist etwa das Ableiten von kryptographischen Schlüsseln aus den physikalisch einzigartigen Eigenschaften eines Chips oder Aufbaus. Dabei werden Schlüssel auf Basis der physikalischen Eigenschaften generiert. Sobald diese Eigenschaften verändert werden – wie es bei Manipulationsversuchen zwangsläufig der Fall ist – funktioniert auch der Schlüssel nicht mehr.
  • Physikalische Schwächen und „Hardware Trojaner“, von höchstintegrierten Sicherheitsschaltungen, wie sie prinzipiell bei der Fertigung außerhalb Europas eingeschleust werden können, sollen in einem geschützten Labor an der Fraunhofer EMFT identifiziert werden. Ziel ist es unter anderem, nach einer geeigneten Rückpräparation Abweichungen der physikalischen Realisierung von den Entwurfsdaten nachzuweisen.

Im dritten Aspekt von Sicherheit sollen elektronische Systeme auch die Sicherheit von Menschen erhöhen, beispielsweise im Arbeitsschutz, in medizinischen Anwendungen oder im Bereich des Ambient Assisted Living. Die Lösungen der Fraunhofer EMFT leisten in verschiedenen Anwendungs-bereichen einen Beitrag zur persönlichen Sicherheit der Anwenderinnen und Anwender. Im Bereich Medizintechnik etwa sorgen die Mikrodosierkomponenten und -systeme der Fraunhofer EMFT dafür, dass Lösungen zur Medikamen-tendosierung zuverlässig funktionieren. Im Bereich Arbeits-sicherheit können die Sensorlösungen der Fraunhofer EMFT für eine Detektion von gefährlichen Substanzen in der Umgebung eingesetzt werden.