DVS Berichte 290 Leseprobe

Weichlöten 2013Forschung &Praxisfür die ElektronikfertigungVorträge der gleichnamigen Tagungin Hanau am 5. Februar 2013Veranstaltung des DVS – Deutscher Verbandfür Schweißen und verwandte Verfahren e. V.,Düsseldorf, und der Fachgesellschaft „Löten“ imDVS

Bibliografische Information der Deutschen NationalbibliothekDie Deutsche Nationalbibliothek verzeichnet diese Publikation in der Deutschen Nationalbibliografie;detaillierte bibliografische Daten sind im Internet über http://dnb.dnb.de abrufbar.DVS-Berichte Band 290ISBN 978-3-87155-597-8Die Vorträge wurden als Manuskript gedruckt.Alle Rechte, einschließlich Übersetzungsrecht, vorbehalten. Nachdruck und Vervielfältigung diesesBandes oder von Teilen desselben nur mit Genehmigung der DVS Media GmbH, Düsseldorf. DVS Media GmbH, Düsseldorf 2013Offsetdruck: rewi Druckhaus, Reiner Winters GmbH, Wissen/Sieg

VorwortDer DVS – Deutscher Verband für Schweißen und verwandte Verfahren e.V. führtzusammen mit der Fachgesellschaft „Löten“ im DVS am 5. Februar 2013 imRichard-Küch-Forum in Hanau die Tagung „Weichlöten 2013“ durch. Ziel ist es, insbesondere den kleinenund mittleren Unternehmen neue Trends aufzuzeigen und Forschungsergebnisse zuLöttechnologien, Lotsystemen, Zusatz- und Hilfsstoffen sowie zur Prüfung und Zuverlässigkeitvon Lötverbindungen anwendungsnah darzustellen.Als Schwerpunkt werden vor allem die Herausforderungen für die Löttechnik behandelt, dieaus der Elektromobilität und der Leistungselektronik resultieren. Hohe Ströme undTemperaturen sowie steigende Beanspruchungen machen weitreichende Veränderungen inder Konstruktion und Technologie erforderlich. Dafür konnten bekannte Fachleute aus derIndustrie und aus der angewandten Forschung als Referenten gewonnen werden, die auchgerne fürFragen und Diskussionen zur Verfügung stehen.Dank gilt der Programmkommission fürdie Zusammenstellung der Vorträge, den Sponsorenfür die Unterstützung bei der Durchführung der Tagung und den Autoren für die fristgerechteEinreichung der Beiträge.Rostock und Düsseldorf, imFebruar 2013Prof. Mathias NowottnickVorsitzender derProgrammkommissionMichael M. WeinreichGeschäftsführerFachgesellschaft „Löten“ im DVS

Herausforderung ElektromobilitätR. Vanhaelst, WolfsburgIm Vortrag „Herausforderung Elektromobilität“ wird aus der Geschichte der Elektromobilität und der Analyse derGegenwart sowie aus dem aktuellen Stand der Technik eine Prognose fürdie zukünftige Entwicklung der Elektromobilitätabgeleitet.1 Geschichte der ElektromobilitätIm Jahre 1800 erfindet Alessandro Volta die galvanische Zelle. Begünstigt durch die Entwicklung der ersten galvanischenElemente waren die ersten elektromechanischen Energiewandler Gleichstrommaschinen. ImJahr 1832baute der Franzose Hippolyte Pixii den ersten Gleichstromgenerator. Antonio Pacinotti baute um 1860 einenGleichstrommotor mit vielteiligem Kommutator. Friedrich von Hefner-Alteneck entwickelte 1872 den Trommelanker,welcher mit den Arbeiten von Werner von Siemens zudem dynamoelektrischen Prinzip die Möglichkeit der Selbsterregungund den industriellen Einsatz imBereich des Großmaschinenbaus eröffnete. [1]Die Akkumulatorentechnik ist aber noch nicht geeignet für einen mobilen Einsatz. Die Energiedichten sind viel zuniedrig und die Batterien nicht wiederaufladbar. 1859 baute Gaston Planté den ersten Blei-Akkumulator und 1880meldete Emile Alphonse Fauré ein Patent für Blei-Säure Akkus an. Damit sind die Grundsteine für das Elektroautogelegt. [2]Die neue Technologie wird von Gustave Trouve in 1881 in Frankreich ineinem Dreirad mit Gleichstrommotor eingesetzt.Es erreichte eine Höchstgeschwindigeit von 12 km/h. Überlieferungen über Reichweiten gibt es nur wenige,es wird eine Reichweite von 30 km vermutet. [1]Das erste amerikanische Elektroauto folgte 1890 – auch wieder ein Dreirad. Vier Batterien gaben dem Fahrzeugeine Leistung von 16 PS. Die maximale Reichweite mit 48 km weiter als die des Trouvé-Autos. [1]Wenige Jahre später wurden die ersten Elektro-Kutschen in „großer“ Stückzahl produziert. Trotz einer begrenztenReichweite von 40 km bis 50kmfanden sie große Beliebtheit bei Taxifahrern, durch ein ausgeklügeltes Batteriewechselsystemvon der NY Electric Company waren diese rund um die Uhr einsatzfähig.Die Verbrennungskraftmaschine, entwickelt von Nicholas August Otto im Jahr 1864, wurde weiter verfeinert undfand seinen ersten Einsatz 1886 im Benz Patentwagen. Die Kutschen mit Verbrennungskraftmaschine wurdenrasant weiterentwickelt und lieferten einen Verdrängungswettbewerb mit den Elektroautos. Im Jahr 1900 gab es inden USA rund 75 Fahrzeughersteller, die insgesamt 4.192 Automobile produzierten: 1688 Dampfautomobile, 1575Elektrofahrzeuge und 929 Benzinfahrzeuge. 1902 entstand das erste Hybridfahrzeug. Es war ein serieller Hybrid,konstruiert von Lohner-Porsche. Das Fahrzeug wurde von Radnarbenmotoren anden vorderen Räder angetrieben,der Generator war fest mit einem Daimler Verbrennungsmotor verbunden. Damit war der Mixte-Wagen den herkömmlichenKutschen, was Reichweite, Fahr (Brems-) verhalten angeht deutlich überlegen. Trotzdem gab es biszum ersten Weltkrieg einen Boom – Busse, Postautos und sogar Krankenwagen fuhren elektrisch. In den USAerreichte die Produktion von Elektroautos ihren Höhepunkt im Jahre 1912, und 1913 gab esfast 40.000 Elektrofahrzeuge.So zum Beispiel auch einen ‚Commercial Electric Truck’‚ den General Electric um 1913 gebaut hat. [1]Die Erfindung des elektrischen Anlassers 1911 durch Charles Kettering sowie der schnelle Aufbau eines Tankstellennetzesförderten die Verbreitung der Fahrzeuge mit Verbrennungsmotor. Durch die Massenproduktion vonFahrzeugen mit Verbrennungsmotor war eine schnelle Expansion mit niedrigen Kosten möglich.Der andauernde Rechtstreit zwischen Thomas Edison und Nikolas Tesla verhinderte den flächendeckenden Aufbaueines elektrischen Gleich- oder Wechselstromversorgungsnetzes und verursachten das Aus des Elektrofahrzeuges.In den folgenden Jahrzehnten gab es viele Versuche, die Elektromobilität neu zu beleben. Zu Zeiten, wo fossileKraftstoffe knapp waren. Nach dem zweiten Weltkrieg, die erste und zweite Ölkrise sind immer neue Fahrzeuge mitelektrischem Antrieb vorgestellt worden: Henney Kilowatt (1959), Charles Town-About (1958), Golf City Stromer(1992), Citroen AX, -Saxo, -Berlingo Electrique (1993). Die Stückzahlen der oben genannten Fahrzeuge lagen imniedrigen dreistelligen Bereich. [1]Der GM EV1 wurde zuerst mit Blei-, später mit Nickel-Cadmium-Akkumulatoren 1996 auf den Markt gebracht. DasFahrzeug wurde 1117 mal gebaut und war das erfolgreichste Elektrofahrzeug der letzten Dezennien. Um das JahrDVS 290 1

1999 wurden alle Fahrzeuge zurückgerufen und entsorgt. Die Gründe fürdiese Aktion sind vielschichtig und variierenjenach Quelle wirtschaftlich, technisch, sogar politisch begründet.2 Gegenwart/aktueller Stand der Technik1989 wurde ein deutsches Patent für ein Lithium-Ionen-Akkumulator angemeldet sowie im Folgenden ein Versuchsmusterangefertigt und erfolgreich getestet.Der erste kommerziell erhältliche Li-Ionen-Akku wurde im Jahr 1991 in einer Sony Videokamera auf den Marktgebracht. [3] Die Technologie wurde ständig weiterentwickelt und steht seit dem Jahr 2000 fürmobile Anwendungenzur Verfügung. Aufgrund seiner 4-bis 5-fach höheren Energiedichte von ca. 130 Wh/kg (je nach Typ), seinerkalendarischen Lebensdauer, seiner Zyklenfestigkeit und seiner Temperaturbeständigkeit ist sie allen anderenSpeichertechniken überlegen. Die Lithium-Ionen-Batterie ist damit der neue Hoffnungsträger imBereich der Elektromobilität.Der GM EV1 hatte eine Energiemenge von 16,5 kWh in Bleibatterien gespeichert. Diese reichen aus, um dasFahrzeug 100 kmbei moderater Fahrweise zubewegen, die Blei- Batterien wiegen ca. 540 kg. Die gleiche Energiemengesind in 123 kg Lithium Ionen gespeichert.Diese wichtigen technischen Fortschritte erlauben einen Neueinstieg indie Elektromobilität.Die Elektromobilität wird weiterhin durch die ökologischen und ökonomischen Folgen der Ölförderung beflügelt. Dieweltweiten Ölreserven sind endlich, ihre Förderung ist mit steigenden Kosten und Risiken verbunden. Elektroautoskönnen dazu dienen, sich ein Stück von der Abhängigkeit vom Öl zulösen.Der fortschreitende Klimawandel äußert sich in einem Anstieg der globalen mittleren Temperatur, in einem Anstiegdes globalen Meeresniveaus und in einem rasanten Rückgang der arktischen Schneebedeckung. Es wird allgemeinakzeptiert, dass der globale Anstieg der CO 2 Emissionen durch die Verbrennung von fossilen Kraftstoffen denTreibhauseffekt verstärkt. Eine Elektromobilität, basierend auf regenerativen Energien, bietet die Möglichkeit, demKlimawandel entgegen zu wirken bzw. dessen Folgen abzuschwächen. Dies ist weitere Motivation fürdie Einführungeiner flächendeckenden Elektromobilität. [4]Mit dem aktuellen Stand der Technik ist das Elektroauto, genau wie vor 100 Jahren, den konventionellen Fahrzeugenmit Verbrennungsmotor immer noch unterlegen. Der Energieinhalt der Batterie von 16,5 kWh entspricht leidernur ca. 4 – 5kgOtto- oder Dieselkraftstoff.Einen direkten Vergleich der Leistungsdaten von einem Fahrzeug mit Verbrennungsmotor und elektrischem Antrieb,z.B.amMitsubishi i-Miev, zeigt die Schwächen der Elektromobilität eindeutig. Die begrenzte Reichweite, dieLadedauer, das Gewicht und vor allem der erhöhte Preis machen das Fahrzeug füreinen großen Kundenkreisunattraktiv. Der Preis der Lithium-Batterien liegt heute bei 250 bis 500 Euro/kWh. Fahrstrecken von 300 km bis 400km würden die Kundenakzeptanz steigern, die erforderliche Energiemenge beträgt dann aber 40 bis 50 kWh, derBatteriepreis wird dabei exorbitant, die Batterien sind volumetrisch nur noch schwer imFahrzeug unter zu bringen.[5]Die geringen Kosten per 100 km Fahrstrecke sowie der hohe Wirkungsgrad des elektrischen Antriebsstrangs begeisternin der Regel nur die ökologisch verantwortungsbewusste und kapitalkräftige Käuferschicht. Für einen flächendeckendenDurchbruch der Elektromobilität reicht dies aber nicht.Die Bundesregierung hat dies frühzeitig erkannt und 2009 den nationalen Entwicklungsplan Elektromobilität verabschiedet.Demnach sollen 1Million Elektrofahrzeuge bis 2020 inDeutschland fahren und die CO 2 -Bilanz verbessern.[6]Dabei werden keine direkten Subventionen für Fahrzeuge wie in anderen Länder eingeführt. Es ist aus Sicht derBundesregierung nicht sinnvoll noch nicht wettbewerbsfähige Fahrzeuge, die sich ohne Subventionen durchsetzenkönnen, mit Steuergeldern zu unterstützen.Der Mehrpreis für ein Elektrofahrzeug liegt heute im Bereich von 5000 bis 10000 Euro. Es wären bis 2020 Subventionenvon 5bis 10 Milliarden Euro notwendig für die Zielerreichung von einer Million Fahrzeugen.Es wurde der Weg gewählt, die Forschung und Entwicklung konkurrenzfähige Elektrofahrzeuge zufördern.2 DVS 290

3 ZukunftsprognosenEbenso wie imletzten Jahrhundert bildet der Hybrid die Brücke zwischen konventionellen und elektrisch angetriebenenFahrzeugen. Nach dem ursprünglichen Hype um das Hybridfahrzeug ist an dessen Stelle eine gewisse Ernüchterungeingetreten. Die vom Kunden festgestellten Vorteile halten sich vor allem im Vergleich zu konventionellenDieselmotoren in Grenzen. In der Regel liegt der Verbrauch eines Hybrids um 20% unter dem eines Otto- Motors,aber noch deutlich über den Verbrauch des Dieselmotors. Der Anschaffungspreis ist aber überproportionalhöher. Die Verkaufszahlen der Hybridfahrzeuge sind deshalb nicht nur in Deutschland sehr niedrig.Die Zahl der neu zugelassenen Autos mit Benzin- oder Dieselmotor hält sich ungefähr die Waage. Der Anteil derbenzinbetriebenen Fahrzeuge lag 2012 bei 50,5 Prozent Diesel-Pkw bei 48,2 Prozent. Von Aufbruchsstimmung indie automobile Zukunft war nichts zuspüren: Nur 1,3 Prozent der Neuwagen verfügen über alternative Antriebe.Darunter waren 21.438 Autos mit Hybrid- und 2.956 Fahrzeuge mit Elektroantrieb. Eswerden deutlich mehr Fahrzeugemit LPG oder CNG zugelassen. [7]Ein großes Potential für das Premiumsegment bietet der Plug-In-Hybrid. Durch eine größere Batterie von ca.6kWh erlaubt ereine reine elektrische Reichweite von 30bis 50 km. Viele Statistiken belegen das 60% bis 80%der täglichen Fahrten rein elektrisch gefahren werden können. Sämtliche Schwierigkeiten bezüglich Innenraumkonditionierungund andere Komfortfunktionen können bei alltäglichen Wetterbedingungen durch den Verbrennungsmotorübernommen werden. Auch Reichweite und Höchstgeschwindigkeit sind für den Plug-In-Hybrid keineHerausforderung. [8]Ausführliche Testfahrten mit einer Toyota-Prius-Prototypenflotte haben gezeigt dass, der Kunde einen deutlichenVerbrauchsvorteil erreichen kann. Der Verbrauch lag imdurchgeführten Versuch zwischen 0und 4l/100 km. [9]Die aktuellen Verkaufszahlen des Prius Plug-In-Hybrid inJapan und Europa zeigen aber, dass das Konzept aufgrundder hohen Kosten nicht für die Mittelklasse geeignet ist. Es wird aber (nahezu) allgemein akzeptiert, dass derPlug-In-Hybrid sich in der Oberklasse durchsetzten könnte.Der Plug-In-Hybrid verbindet die Vorteile eines konventionellen Hybrid Fahrzeugs und eines Elektrofahrzeugs. Erkann dazu beitragen, das Oberklasse und Premiumfahrzeuge ein umweltfreundliches Image bekommen.Bei den CO 2 -Emissionen, nach dem NEF-Zyklus ermittelt, kann der Plug-In-Hybrid sich eindrucksvoll von konventionellen-und full-hybrid-Fahrzeugen absetzen. Für Fahrzeuge der Premiumklasse sind CO 2 -Emissionen unter 79g/km möglich, dies entspricht einem Verbrauch von weniger als 3,0 l/100 km. [8]Der niedrige CO 2 -Ausstoß der Oberklassenfahrzeuge ermöglicht dem Fahrzeughersteller, die strengen CO 2 -Grenzwerte von 130 g/km (je nach Hersteller) zu erreichen.Ein reines Elektrofahrzeug mit einem Energieverbrauch von 16,0 kWh/100 km hat beim deutschen Strommix miteiner CO 2 -Erzeugung von 564 g/kWh einen indirekten CO 2 Ausstoß von 90 g/km. [8]In der nahen und fernen Zukunft wird die konventionelle Verbrennungskraftmaschine immer weiter optimiert. Verbräuchevon 3,0 – 4,0 l/100 km in der Kompakt und Mittelklasse und 6,0 – 7,0 l/100 km in der Oberklasse sind bereitsheute realisiert. Inzwischen kann fast jedes konventionelle Fahrzeug mit Start Stop und intelligenter Generatorregelungals Mikro Hybrid definiert werden. Mild- und Full-Hybridfahrzeuge werden vor allem aus Kostengesichtspunktenoptimiert und werden in der näheren Zukunft mit Dieselmotoren in direkter Konkurrenz stehen. InderOberklasse und dem Premium Segment wird sich der Plug-In-Hybrid voraussichtlich durchsetzen können.Das reine Elektrofahrzeug wird nach Meinung vieler Experten bis 2020 eine untergeordnete Rolle spielen und seineStärken vor allem im urbanen Bereich ausspielen.Das Ziel der Bundesregierung von 1 Million Elektrofahrzeugen ist erreichbar, wenn die Hybride und Plug-In-Hybride mit einem voraussichtlichen Anteil von 70% – 90% mit eingerechnet werden.Literatur[1] Karl-Joachim Euler: Sinsteden – Planté – Tudor. Zur Geschichte des Bleiakkumulators. GesamthochschuleKassel, Kassel 1980[2] Geschichte der Elektromobile und Hybridfahrzeuge ab1900, www.energyprofi.com[3] WebShop: Akku fürSony CCD Tr1[4] IPCC Fourth Assessment Report: Climate Change 2007 (AR4), www.ipcc.chDVS 290 3

[5] R. Vanhaelst, Vorlesungsskript, Hybride Antriebe, WS12. Masterstudiengang „Alternative Antriebe in derFahrzeugtechnik“, Ostfalia, HAW, Wolfsburg[6] Nationaler Entwicklungsplan Elektromobilität der Bundesregierung, BMBF, August 2009[7] KBA Fahrzeugzulassungen, www.kba.de/.../Neuzulassungen[8] R. Vanhaelst, Die Potenziale des Plug-In-Hybrids für Premiumhersteller Lithium-Ionen-Batterien, Tagung Sicherheitvon Lithium-Ionen-Batterien, Test und Qualifizierung, Oktober 2012, Stadthalle Balingen[9] Toshifumi Takaoka, Hiroki Ichinose – Toyota Motor Corporation, Japan, Das Neuentwickelte Toyota Plug-InHybrid System, Internationales Wiener Motorensymposium 20104 DVS 290

Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungtechnik für LeistungsmoduleA. Braun und M. Kock, FlensburgDas Löten ist derzeit einer der wesentlichen Fügeprozesse fürden Aufbau von Leistungsmodulen. Durch die sehrvielfältigen Anforderungen der Anwender muss der Lötprozess auf unterschiedlichste Designs angepasst werden.Hierbei stößt der Prozess anviele Grenzen bezüglich Applikation und Lebensdauer sowie auf die anspruchsvollenAnforderungen aus den Folgeprozessen. Im Folgenden sollen einige dieser Anforderungen an den Lötprozess undeinige der Fehlermechanismen und Wechselwirkungen dargestellt werden.1 Kundenanforderungen an den Lötprozess bei LeistungsmodulenHersteller leistungselektonischer Module sind mit einem stark wachsenden Markt konfrontiert und stellen Produktefür ein immer breiter werdendes Portfolio an Anwendungen zur Verfügung. Die Anforderungen an dieLeistungsmodule sind dabei je nach Applikation äußerst vielfältig und sehr unterschiedlich. So kommtbeispielsweise ein stark wachsender Anteil an Leistungsmodulen in Automobilen zum Einsatz. DasAnwendungsfeld in dieser Branche ist äußerst breit, so gibt es hier beispielsweise Applikationen in der elektrischenLenkkraftverstärkung oder in der Ansteuerung von Hybridantrieben. Die Anforderungen indiesem Einsatzfeld sindzumeist geprägt von höchsten Energiedichten auf engsten Bauraum, sowie von hohen thermischen undmechanischen Belastungen. Die Erwartungen andie Lebensdauer sind zumeist äußerst hoch, was insbesonderedie thermische Zyklenfestigkeit und Fehlerraten anbetrifft.Im industriellen Umfeld sind die Anforderungen deutlich vielseitiger. So muss ein Leistungsmodul inFrequenzumrichtern für Industrieantriebe zumeist wenige mechanische Belastungen bestehen, wohingegenBauteile in leistungsstarken Bohrhämmern immensen Vibrationsanforderungen unterliegen. Produkte, die inWindkraftanlagen zum Einsatz kommen, unterliegen extrem hohen Anforderungen an die Zuverlässigkeit undLebensdauer.Unabhängig von der Applikation steigt die Nachfrage nach höheren Packungsdichten, höheren Temperaturen undhöherer Lebensdauer bei gleichbleibender oder höherer Belastung im Feldeinsatz.Um diesen steigenden Anforderungen und grundsätzlichen applikationsabhängigen Unterschiedenentgegenzutreten und die Forderungen der Kunden zu erfüllen, bedienen sich die Unternehmen bei derEntwicklung neuer Produkte einer Vielzahl an Materialien und Fügeprozessen, die das jeweilige Produkt in dieLage versetzen, den individuellen Anforderungen an elektrisches, thermisches und mechanisches Verhaltengerecht zuwerden. Das Löten ist ungeachtet der innovativen Ansätze, wie zum Beispiel dem Silbersintern, der amhäufigsten verwendete Verbindungsprozess für die Unterseite der Leistungshalbleiter mit der DCB (Direkt CopperBonded) und das Verbinden von DCB und Wärmesenke. Damit findet das Löten einen breiten Einsatz in fast allenLeistungsmodulen am Markt. Der Lötprozess steht also auch weiterhin im Fokus der immer steigendenAnforderungen an die Entwicklung und Produktion neuer Leistungsmodule für nahezu alle Anwendungen.Abb. 1 Verschiedene Formen von Leistungsmodulen für unterschiedlichste ApplikationenDVS 290 5

2 Leistungsmodule im Lötprozess – Besondere Ansprüche und spezielle FehlerbilderDer Aufbau konventioneller Leistungsmodule ist marktübergreifend in den wesentlichen Elementen sehr ähnlich.Die wesentliche Aufgabe der verwendeten Verbindungsprozesse und Materialien ist es, die Wärmeenergie von derOberfläche des Leistungshalbleiters effektiv zum Kühlmedium abzuleiten und dabei den elektrischen Widerstandund thermomechanische Spannungen möglichst gering zu halten. Dabei sind die Fügestellen hohenBetriebstemperaturen ausgesetzt. In Abb. 2 ist ein Schnitt durch einen gewöhnlichen Aufbau einesLeistungsmoduls mit Bodenplatten als Wärmepuffer vereinfacht dargestellt. Der Halbleiter wird in dieserDarstellung auf eine DCB als elektrischen Schaltungsträger gelötet und auf der Oberfläche mit Aluminiumdrähtengebondet. Die DCB ist wiederum vollflächig mit einer Kupferbodenplatte verlötet.Abb. 2 Aufbau eines konventionellen LeistungsmodulsUm die effiziente Wärmeabfuhr von der Oberfläche der Halbleiter zur Wärmesenke zu gewährleisten, muss einefehlstellenfreie Lötverbindung imrelevanten wärmeableitenden Volumen vorliegen. Ist, wie in Abb. 3schematischdargestellt, eine Fehlstelle im thermischen Pfad vorhanden, so ist der Wärmefluss gestört. Der thermischeWiderstand steigt mit der Größe der Fehlstelle, wobei die Lage mit zunehmender Nähe zur Wärmequelle kritischerwird. Ist das Volumen dieser Fehlstelle und damit der thermische Widerstand ausreichend groß und dieeingetragene Wärme ebenfalls, so kann eszur Überhitzung des Halbleiters und dessen Zerstörung kommen.Abb. 3 Auswirkungen einer Fehlstelle auf den Wärmefluss imthermischen StapelDie Röntgenprüfung ermöglicht eine automatisierbare und produktionsbegleitende Prüfmethode, die die projizierteFläche der Fehlstelle unter dem Halbleiter beurteilt. In Abb. 4 sind Beispiele dieser Projektion zu sehen.Gewöhnliche Grenzwerte für einzelne Fehlstellen liegen bei etwa 3% der Chipfläche und bis zu 10%, wenn dieSumme aller Fehlstellen unterhalb der Halbleiterfläche beurteilt wird. Diese Grenzen können sich aber jenachKundenapplikation sehr stark unterscheiden. In der Regel ist esmit dieser Prüftechnik allerdings nicht möglich dieFehlstellen sicher einer der Lötschichten zuzuteilen, da serienbegleitend für gewöhnlich nur 2D-Röntgenverfahreneingesetzt werden.Abb. 4 Beispiele fürFehlstellen inder RöntgenprüfungUm das Auftreten von Fehlstellen zu minimieren, wird inder Regel ein Vakuumlötprozess eingesetzt. Durch dasErzeugen eines Unterdrucks in der Prozesskammer um das schmelzflüssige Lot werden die Einschlüsseweitestgehend aus der Lötstelle entfernt. In Abb. 5 ist der Temperatur- und Druckverlauf vereinfacht und6 DVS 290

eispielhaft dargestellt. Fehlstellenfreies Löten ist prozesstechnisch insbesondere wegen der sehr großenLotvolumen eine Herausforderung. So werden beispielsweise DCBs mit Kantenlängen von 50 mm ganzflächig mitvernickelten Bodenplatten verlötet, wobei Lotschichtdicken von bis zu400 µm zum Einsatz kommen.Abb. 5 Beispiel für den Temperatur- und Druckverlauf imLötprozessDer Vakuumlötprozess, insbesondere von Modulen mit massiver Kupferbodenplatte, ist in der Prozessführung sehrspeziell. So werden in einem Modul größerer Bauart bis zu ein Kilogramm Kupfer verarbeitet, welches gemeinsammit mehreren anderen Modulen im Lötofen auf Löttemperatur zu bringen ist. In extremen Fällen kann dasErreichen der Löttemperatur anexponierten Stellen der zu lötenden Baugruppe umbis zu 90 Sekunden verzögertsein. Umdiese Prozesszeit zu verkürzen, wird ineinigen Fällen mit überhöhten Löttemperaturen gearbeitet, damitbaugruppenübergreifend höhere Aufheizgradienten erzielt werden können. In jedem Fall sind die Haltezeiten aufLöttemperatur ausreichend groß zu wählen, um bei Anlegen des Prozessvakuums sicherzustellen, dass alleLötstellen komplett in die Flüssigphase übergegangen sind. Die Zeit um das Ziehen des Vakuums bis zumWiedererreichen des Ausgangsdruckes verlängert die Zeit über Löttemperatur zusätzlich. Bauteile sind somit ineinigen Fällen höheren und länger anhaltenden thermischen Belastungen ausgesetzt als inanderen Applikationenüblich. Insbesondere die Halbleiter müssen in der Dicke und Zusammensetzung ihrer Rückseitenmetallisierung fürden langen Lotangriff geeignet sein, da es durch das Ablegieren der Metallisierung im Lot zum kompletten Ablösender Rückseitenmetallisierung und damit zum Entnetzen des Halbleiters kommen kann. Abb. 6zeigt beispielhaft diesehr unterschiedliche Ausbildung der intermetallischen Phasen desselben Halbleitertyps bei starker und wenigerstarker thermischer Belastung. Beide Extreme können je nach Applikation vorkommen.Abb. 6 Querschliff einer Lötverbindung ander Chipunterseite bei niedriger und hoher Löttemperatur und -zeitAuch die Verwölbung der unteren Seite des Moduls wird in wesentlichen Teilen vom Lötprozess beeinflusst.Gleichzeitig ist dieses Kriterium wichtig fürdie Applikation beim Kunden. Somuss das Modul in der endgültigenDurchbiegung jenach Montageart, beispielsweise auf einen Kühlkörper oder auf einen offenen Wasserkühler, ineinem definierten Band liegen. Durch den thermomechanischen Stress zwischen den Fügepartnern imAbkühlprozess, welcher durch die zum Teil sehr unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten eingetragenwird, stellt sich noch im Prozess eine Verwölbung der Baugruppe ein. Durch Relaxation wird sich dieseVerwölbung in der unmittelbaren Zeit nach dem Prozess zum Teil noch zurückbilden. Durch den Abkühlgradientenund durch die Höhe der Maximaltemperatur lässt sich die Verwölbung der Baugruppe maßgeblich steuern.Prozessbedingt ist eszum Teil notwendig, beim Abkühlen maximale Gradienten zunutzen, um damit verbundeneFehlerbilder zuvermeiden. Dies führt im Extremfall dazu, dass Module mit großflächigen Bodenplatten und DCBsdurch das Abkühlen im Mittelpunkt der Baugruppe einen Hub von über zwei Millimetern machen und trotz positivvorgebogener Bodenplatte hohl liegen. Unter diesen Umständen kann es zu Brüchen des keramischenSchaltungsträgers kommen, sofern der mechanische Stress zu groß wird. Dem Design und der Größe dereinzelnen Module ist so prozesstechnisch ein Maximum gesetzt.DVS 290 7

Abb. 7 Verwölbung der Baugruppe durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungsverhalten der Fügepartner im Kühlprozess3 Prozessgrenzen in Hinblick auf Wechselwirkungen mit anderen ProzessenDadurch dass der Lötprozess im Fertigungsablauf von Leistungsmodulen der erste fundamentale Fügeprozess ist,sind andere Fügeprozesse in ihrer Prozesssicherheit und Qualität grundlegend vom Lötergebnis abhängig. Sokönnen im Lötprozess toleranzbedingte Zustände entstehen, die die weitere Verarbeitung nicht mehr möglichmachen. Im Folgenden sollen einige Beispiele präsentiert werden.Wegen der vergleichsweisen hohen Lotschichtdicken kann es zu einer Verkippung oder Verdrehung der Bauteileauf dem schmelzflüssigen Lot kommen, welche nach dem Kühlprozess weiterhin vorhanden ist. Dieses Phänomenist dann besonders stark, wenn flächenmäßig kleine und gleichzeitig im Verhältnis größere Halbleiter auf derselbenSchaltung zum Einsatz kommen. In diesem Fall orientiert sich die Dicke der gedruckten Paste in der Regel amgrößeren Bauteil, wobei das kleinere Bauteil ein sehr großes Angebot an Lot hat. Durch den häufiger werdendenEinsatz von sehr kleinflächigen SiC-Halbleitern kommt es recht häufig zu diesem Phänomen. Abb. 8zeigt eintypisches Beispiel für einen Halbleiter, welcher auf dem Lotdepot verschwommen ist. Dieses Verkippen kann in derBilderkennung des nachfolgenden Drahtbondprozesses zu Problemen führen, wenn der Reflektionsgrad derHalbleiteroberfläche mit dem schwankenden Verkippungswinkel sehr stark variiert. In solchen Fällen ist einautomatisiertes Verarbeiten der Produkte kaum möglich. Außerdem ist der Winkel der Oberfläche für denDrahtbondprozess wesentlich. Abgesehen davon ist das Lot anden Stellen mit sehr geringer Dicke anfälliger fürAlterungsmechanismen, was zu Frühausfällen führen könnte.Abb. 8 Schräglage eines Bauteils nach dem LötprozessAuf das Verkippungsverhalten kleiner Halbleiter kann im Lötprozess nur wenig Einfluss genommen werden. DerVakuumschritt im Lötprozess wirkt auf diesen Effekt noch verstärkend, so dass an den hier betroffenen Parametern8 DVS 290

noch geringe Einflüsse genommen werden können. Insbesondere ist aber das Design der Lotdruckschablonenausschlaggebend, was zumeist das Ziel hat, das Angebot an Lot anden betroffenen Stellen zu verringern. Hiersind aufgrund von Designvorgaben im Druckprozess wie auch bei den Lebensdaueranforderungen Grenzengesetzt.Ein weiterer Einfluss auf die Funktionalität der Folgeprozesse besteht durch das Auftreten von Lotkontaminationenum die Halbleiter. Dadurch, dass DCBs inden Zonen um die Lötflächen ebenfalls mit Lot benetzbares Kupferhaben, kann es bei ungünstigen Umständen zum Entstehen von fest mit der Kupferfläche verbundenenLotkontaminationen kommen. Zum einen können sehr stark schwankend ausgeprägte Lotmenisken mit zum Teilgroßen benetzten Flächen auftreten, zum anderen entstehen durch ausgelöste Partikel aus der LotschmelzeLotperlen auf den Oberflächen. Diese sind in der Regel deutlich kleiner als 100 µm im Durchmesser. DerVakuumschritt während des Lötprozesses wirkt hierbei insbesondere beim Auftreten von Lotperlen verstärkend. InAbb. 9sind die beiden oben beschriebenen Fälle beispielhaft dargestellt. Die zinnhaltigen Kontaminationen könnensich im folgenden Drahtbondprozess als ungünstig erweisen, sofern das Verhältnis von kontaminierter Fläche zurVerbindungsfläche des Drahtbonds relevant ist.Abb. 9 Große benetzte Fläche umHalbleiter und Kontamination durch eine LotperleDas Auftreten von großflächigen Austrittszonen umden Halbleiter lässt sich bei konstanten Voraussetzungen beimEingangsmaterial prozesstechnisch sehr sicher beherrschen und tritt in der Regel in einem wenig streuendenBereich auf. Lotperlen hingegen weisen bedingt durch Unterschiede zwischen Bauteiloberflächen undDesigneinflüsse eine deutlich höhere Streuung auf. Durch gezielte Veränderungen im Lötprozess kann dasAuftreten und die Größe der Lotperlen zumindest verringert werden. Wesentlich ist auch die Qualität desLotpastendrucks. Der Haupteinfluss ist bei gehäuftem Auftreten in der Regel allerdings materialseitig zu finden.Erschwerend ist, dass die Detektion der Lotperlen nur sehr aufwändig zu gewährleisten ist. Sollte aufgrundgehäuften Auftretens in kritischer Größe eine serienbegleitende Prüfung notwendig sein, so kann eineautomatisierte Lösung zur Detektion gewählt werden.4 Baukasten Leistungsmodul – Herausforderungen durch Materialien im LötprozessBeiden Lotschichten in einem Leistungsmodul, nämlich die Lotschicht zwischen Bodenplatte und DCB sowiezwischen DCB und Halbleiter, bergen durch eine hohe Variantenvielfalt an verwendetem Material undunterschiedlichster Geometrie viele Herausforderungen für den Prozess. Diese grundlegenden Unterschiede imDesign sind den vielfältigen Kundenanforderungen geschuldet. So kann der oben dargestellte Standardaufbau inallen Teilen materialseitig variiert und je nach Anspruch der Applikation angepasst werden. Im Folgenden werdenBeispiele dargestellt, die den Lötprozess vor Herausforderungen stellen.Sind zum Beispiel hohe Anforderungen hinsichtlich der Belastbarkeit durch Temperaturwechsel gefordert, sokommt anstelle von Kupfer ineinigen Fällen eine AlSiC-Bodenplatte zum Einsatz, die durch ihren keramischenKern an die Wärmeausdehnung der DCB angepasst ist und somit den thermomechanischen Stress in derBaugruppe mindert. Das Aufbringen einer reproduzierbar lötbaren Oberfläche ist für die Hersteller dieserBodenplatten eine Herausforderung. Im Lötprozess äußerten sich diese Schwankungen immer wieder imAusschuss durch das Auftreten von großflächigen Fehlstellen im Bereich mehrerer Prozent. Dies führte in derVergangenheit immer wieder zu aufwändigen Anpassungen im Lötprozess und erschwerte eine serienmäßigeVerarbeitung. Durch Weiterentwicklung imBeschichtungsprozess und wesentliche Anpassungen imLötprozess istdie serienmäßige Verarbeitung nunmehr gewährleistet. Aus Sicht des Lötprozesses ist das moderatereDurchbiegungsverhalten durch die wesentlich höhere Biegesteifigkeit sogar positiv und erlaubt somit höhereFlexibilität bei der Parametrierung. Die vergleichsweisen hohen Materialkosten machen diese Lösung jedoch eherzu einem Exoten.DVS 290 9

Abb. 10 Querschliff durch eine Lötung zwischen AlSiC- Bodenplatte und DCBEine weitere Herausforderung besteht durch die reiche Vielfalt an Halbleitern von unterschiedlichsten Herstellern.Diese können nicht nur inder Geometrie grundlegend unterschiedlich sein, sondern unterscheiden sich inderRegel auch wesentlich in der Rückseitenmetallisierung. Hier kommen in identischen Produktbaureihenverschiedene Schichtaufbauten und unterschiedliche Beschichtungsverfahren zum Einsatz. Der Lötprozessreagiert zum Teil recht empfindlich auf diese Unterschiede, so dass es vermehrt zu kritischen Fehlstellen in derLotschicht zwischen Halbleiter und DCB kommen kann. Bei einigen Bauteilen ist das Prozessfenster deutlichkleiner als bei anderen, was eine serienmäßige Verarbeitung erschwert. Sowird in Abb. 11 ein Beispiel einesHalbleiters dargestellt, der nur ein ungewöhnlich kleines Prozessfenster für den Lötprozess anbietet und imRandbereich kritische Fehlstellen aufweist. Hier musste eine außergewöhnlich feine Abstimmung inmehrerenTeilen des Lötprozesses vorgenommen werden, welcher bei den betroffenen Produkten zum Einsatz kommt.Abb. 11 Beispiel für Fehlermechanismus bei Halbleitern mit geringen Prozessfenster für LötprozessBei Halbleitern mit speziellen Schichtaufbauten kann es in der Verbindungsbildung zu ungewöhnlichenErscheinungen kommen, die im Querschliff zu beobachten sind. InAbb. 12 ist eine scheinbare Ablösung derIntermetallischen Phase an der Unterseite des Halbleiters zu sehen, die prozessseitig nicht vollständig zuverhindern waren. Eine Anpassung der Rückseite konnte hier einen entscheidenden Fortschritt bringen.Abb. 12 Absinken der Intermetallischen Phase nach langem Prozess10 DVS 290