Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Einflussgrößen-Wirkungsanalyse zur einfachen Lebensdauerabschätzung hoch stabiler Verbindungen in der Leistungselektronik

Antriebe im Kilo- bis Megawattbereich werden in der Regel mit Umrichtermodulen auf der Basis von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBT) und Dioden betrieben. Die Auslegungskonzepte sehen mittlerweile Junction-Temperaturen von über 175 °C vor. In der Leistungselektronik war bisher das Löten der dominierende Chipmontageprozess, da somit hohe el. und therm. Leitfähigkeit sowie ausreichende Temperaturzyklen-Beständigkeit erreicht werden.

Die mechatronische Integration, z.B. der Einbau von Leistungselektronik direkt im Motorgehäuse, erfordert miniaturisierte Halbleiterbrücken und bedingt sehr hohe Leistungsdichten. In Abhängigkeit von Ausnahmeregelungen der EU-RoHS sind zukünftig ggf. vollständig bleifreie Verbindungstechniken auch für die Leistungselektronik verfügbar zu machen. Einer der Wege, die genannten Spezifikationen einzuhalten, liegt im Aufbau mit Bare-Chips anstelle gehäuster Komponenten. Eine innovative Lösung hierzu stellt die Montage der Leistungsbauelemente direkt auf Kupfer-Leiterrahmen oder auf organisch isolierte Metallkerne dar. Das bei der Montage von IGBTs bisher dominierende Löten mit hoch schmelzenden Pb-Loten (TLöt>350°C) führt jedoch zu Materialbelastungen und potentiellen Qualitätsproblemen, insbes. bei neuartigen Leistungsbauelementen wie GaN. Daher wurde in den letzten Jahren mit hohem Aufwand die sog. Silber-Sintertechnik (NTV), mit Prozesstemperaturen von etwa 200 – 250 °C etabliert. Sie wurde bisher allerdings nur für bestimmte Substrattypen (DCB) vor allem von Nicht-KMU industrialisiert. Einer des Hindernisse für den breiteren Einsatz des Sinterns speziell in KMU ist das Fehlen von Informationen über die relevanten Eigenschaften gesinterter Aufbauten, wie die Zyklenbeständigkeit in Abhängikeit von Konstruktionsmerkmalen.

Da Leistungsbaugruppen oft in kleinen Stückzahlen und mit starker Spezialisierung hergestellt werden, können insbesondere viele KMU von den neuen Verfahren zum Entwurf profitieren. Das Vorhaben unterstützt beim Ersetzen von bleihaltigen Lotverbindungen durch eine bleifreie Verbindungstechnik und trägt damit zu einem verbesserten Umweltschutz bei.

KMU haben zu dieser Technologie bisher nur schwer Zugang gewonnen, obwohl der Prozess nach unserer Einschätzung fertigungstechnisch eher unkritisch, wenig kapitalintensiv und somit gut KMU-tauglich ist.

Ergebniszusammenfassung:

Es wurde die Verbindungstechnik des Silbersinterns auf den Schaltungsträgern Leiterplatte, Metall-Core-Substrat und Kupfer-Leiterrahmen entwickelt, erprobt und bezüglich der Eigenschaften und Zuverlässigkeit analysiert und dokumentiert. Damit wurden wichtige Grundlagen für die Anwendung dieser Verbindungstechnik auf kostengünstigen Substraten gelegt, wie sie insbesondere für KMU wichtig ist.

- Die Sinterprozessentwicklung für solche Substrate als Voraussetzung für eine reproduzierbare Technologie hat eine deutliche Abhängigkeit der Verbindungsqualität von prozess-, material- und oberflächenbezogenen Einflüssen der Bauteile gezeigt. Die statistische Untermauerung in Form von Aufbauten mit vier Bauteilgrößen und insgesamt zwölf Kombinationen erlaubt eine Nachnutzbarkeit der Technologie für weitere Anwender. Für die Erzielung einer hohen Oberseiten- Verbindungsqualität wurde ein Dickdraht-Bondprozess mit neuartigem Aluminiumdraht mit Kupferkern (CuCorAl) adaptiert.

- Den Kern der Untersuchungen bildeten Analysen der Zuverlässigkeit gesinterter Aufbauten. Es war das Ziel, theoretische Verfahren zu entwickeln, die es erlauben, bereits in der Konzeptphase Leistungsmerkmale und Lebensdauer gesinterter Aufbauten unter Betriebsbedingungen abschätzen zu können. Es wurden dazu sowohl numerische Untersuchungsmethoden entwickelt als auch einfache analytische Bewertungsformeln abgeleitet. Diese stehen nun für die Nachnutzung zur Verfügung, bzw. haben bereits Eingang in weitere Projekte gefunden.

- Zur Erreichung des Ziels "Lebensdauerprognostik" wurden wesentliche Abhängigkeiten von verwendeten Werkstoffen und deren prozessabhängigem Verhalten herausgearbeitet. Mittels numerischer Analysen wurde die Abhängigkeit der Zuverlässigkeit von Sinterverbindungen von deren Porosität, d.h. druckabhängiger Sinterqualität, gezeigt. Es wurden temperaturabhängige nichtelastische Eigenschaften von gesinterten Materialien sowie des CuCorAl Drahtes bestimmt und zur Verfügung gestellt.