Jahrbuch Mirkoverbindungstechnik_Leseprobe

DVSMediaGmbH

Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

Entwicklungstendenzen der Aufbau- und Verbindungstechnik

für die Leistungselektronik

H.-J. Albrecht, Berlin

1 Einleitung

Die Bedeutung der Anschluss- und Verbindungstechnik für die Leistungselektronik

ist u.a. im Vorfeld der PCIM Europe 2013 und 2014 (Internationale Messe und Konferenz

für Leistungselektronik, Intelligente Antriebstechnik, Erneuerbare Energie

und Energiemanagement) deutlich beschrieben und hat an Aktualität noch dazugewonnen.

Nachdem der Einsatz der Leistungselektronik an sich schon wertvolle

Beiträge zur Energieeffizienz und zum Gelingen der Energiewende geleistet hat,

werden die Weiterentwicklungen effizienter Leistungsbauelemente den nächsten

Schub bringen. Hier sind aber entsprechende Technologien, nicht zuletzt in der Aufbau-

und Verbindungstechnik der Leistungselektronik (AVT LE), notwendig. Damit

sich die Leistungselektronik aber entsprechend ihrer Bedeutung als “enabling technology“

entfalten kann, braucht sie eine entsprechende öffentliche Wahrnehmung

auf allen Ebenen (Lutz, J., PCIM 2013).

Die Bewältigung des Klimawandels und die Maßnahmen der Energieeffizienz und

der Energieversorgung gehören für unsere Gesellschaft derzeit zu den größten

Herausforderungen [1]. In diesem Zusammenhang müssen nachhaltige Technologiepfade

weiterentwickelt werden, um die Industrialisierung erfolgreich umzusetzen

und die Energiewende Realität werden zu lassen.

Die Weiterentwicklung der heute vorhandenen Leistungselektronik-Lösungen ist

eine wichtige Voraussetzung für die Umsetzung von Industrie-4.0-Konzepten. Denn

die eingesetzten Leistungshalbleiter-Komponenten, wie z. B. „smarte“ MOSFETs

(Metall-Oxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren) mit integrierten Diagnostik- und

Schutzfunktionen, oder hocheffiziente IGBT-Module (Bipolartransistoren mit isolierter

Gate-Elektrode) sind – als „Muskeln des Systems“ – ein integraler Bestandteil

vieler Cyber Physical Systems [2].

Der Grad an Integration – also wie viel Funktionalität in welchem Volumen untergebracht

werden kann - wird in hohem Maß dadurch bestimmt, wie gut die im Betrieb

entstehende Verlustwärme der Bauteile leistungselektronischer Module zum Beispiel

in der industriellen und automotiven Antriebstechnik abgeführt werden kann.

Die für 2024 erwartete Verteilung der „Electric Vehicles“ in Bild 1 implementiert

gleichfalls die Qualifikationsanforderungen.

1

11


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

Bild 1: Erwartete Applikationen leistungselektronischer Module in 2024 /12/

Dieses so genannte auch von der AVT stark beeinflusste, thermische Management

hat entscheidenden Einfluss auf Kosten, Lebensdauer und Wirkungsgrad der Produkte.

Um die Position Deutschlands in den Märkten zu sichern und auszubauen, sollte

die Wertschöpfungskette für die Leistungselektronik hierzulande möglichst vollständig

sein. Ein aktuelles Beispiel ist die Embedding Technologie [21, 22], die

es ermöglicht, kompakte Leistungselektronik-Baugruppen zu realisieren, für die

es in Deutschland aussichtsreiche Ansätze unter Formfaktor-Aspekten gibt. Diese

Technologie und notwendige Voraussetzungen wie Prozesse, Materialien und

Bauelemente sollten im Interesse innovativer Lösungen für die Leistungselektronik

entwickelt werden. Dabei und ganz allgemein ist auf die Automatisierbarkeit von

Prozessen zu achten, damit die notwendige Produktivität für eine wirtschaftliche

Produktion erreicht werden kann [3, 22, 49, 50].

Die bisher erreichte Technologieimplementation [27, 31] verspricht erfolgreiche

Umsetzungen. Die hier besonders relevante thermische (u. CTE-) Belastbarkeit im

Systemstapel muss unter den Applikationsbedingungen mit belastungskompatiblen

Funktionswerkstoffen nachgewiesen werden.

12


Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

Bild 2: Bisherige Zeitleiste

Embedding Technologien

und Yole-Forecast u.a. für

Automotive-Anwendungen

[21, 22]

2 Entwicklungsstand AVT LE

Applikativ wird heute ein höheres T jmax

(zwischen 150°C und 200°C) angestrebt, bei

SiC, GaN und GaAs sogar noch darüber [15].

Bild 3: IGBT Chipfläche (1,200 V / 50 A) [15]

13


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

SiC, GaN und GaAs erlauben aufgrund der physikalischen Eigenschaften höhere

T jmax

-Werte, die jedoch AVT-spezifisch qualifiziert werden müssen (homologe

Temperatur, siehe Bild 10). Aber ein T jmin

wird anwendungsspezifisch bei -55°C

zu erwarten sein. In [32] werden T jmax

-Werte, Elektronenbeweglichkeit, -mobilität,

thermische Leitfähigkeit für die Materialien Si, SiC und GaN verglichen (Bild 4), die

Roadmap zur Produktintegration vorgestellt und die Prozessbedingungen erläutert.

Bild 4: Vergleich Si, SiC und GaN [32]

Advanced Interconnect Technologies

Ag-Au-Ge

Soldering

Service Temp

350°C

Cu – Cu

Direct Bond

Al – Al

Direct Bond

Transient

Liquid Phase

Sintering

Source: Petzold, IWM 2013, Vianco 2013, Neuhaus, 2013, Albrecht; IWM 2013

Liquid to

Liquid

Bild 5: Hochtemperaturfähige Materialien für Die Attach [4−8]

14


Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

Neben den in Bild 5 aufgelisteten Möglichkeiten des Einsatzes von hochtemperaturbeständiger

Die Attach-Varianten werden in [29] dotierte, mikrolegierte Pb-freie

Lote und in [23] der Zusatzwerkstoff Rein-Zn für die Montage von SiC-WBG-Materialien

vorgeschlagen. Letztere Untersuchungen basieren auch auf mikrostrukturellen

Untersuchungen im System Sn-Zn/Cu, die unter Beachtung der thermischen

Randbedingungen auch zum Einsatz kommen können [45].

Auf der Basis “micron-sized Ag” Partikel hybridisiert with “submicron-sized Ag“ werden

Sinterprozesse mit minimaler Druckkomponente bei 200°C möglich [41], eine

Verfahrensvariante zur Reduzierung stressbedingter Grenzflächencharakteristiken

bei hinreichenden Scherkräften. Durch die Nutzung thermodynamischer Ungleichgewichte

in gesputterten Ag-Schichten (1 µm) auf der Halbleiter-Bottomseite und

der Substratoberfläche werden durch Stressmigration Sinterverbindungen ohne

Druck bei Temperaturen 250-400 °C (30 min) möglich [51]. Diese Verfahrens-variante

kann auch in der Direktkontaktierung gestapelter Chips erfolgen.

Um das richtige Design der Systemaufbauten bezüglich Anforderungen/ Aufwand

u.a. für das Die Attach zu entscheiden, bedarf es der vorausschauenden Simulation

[35, 47]. Auch die Rückwirkung verschiedener Fehlermechanismen aufeinander ist

eine große Herausforderung für die Simulation systemischer Aufbauten.

3 Komponenten

Auf Halbleitern und WBG-Materialien in [15] werden neuartige Funktionswerkstoffe

auf der Top-Seite der SiC-Chips integriert (Ni-Modifikationen zur Reduzierung

CTE-Mismatch, Cu zur elektrischen und thermischen Entflechtung sowie monometallischer

Wirebonds). Künftig könnten ggf. auch Graphen-Monolayer die mechanischen

Eigenschaften von HL-Oberflächen belastungskompatibler gestalten [16].

Graphen ist nicht nur elektrisch sehr leitfähig; es ist auch leicht und transparent,

mechanisch sehr robust und ein exzellenter Wärmeleiter. Diese außergewöhnliche

Kombination von Eigenschaften macht das Material für die Grundlagenforschung

interessant [17, 18].

Bild 6: Graphen als

Oberflächenstabilisator [16]

15


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

Materialien sind ein Teil des thermischen Designs, das ein wesentlicher Erfolgsfaktor

für zukünftige Leistungselektroniksysteme ist. Die thermischen Verhältnisse beeinflussen

unmittelbar die Zuverlässigkeit/Dauerhaltbarkeit und Funktionsfähigkeit.

Die Anforderungen steigen mit den geforderten höheren halbleiternahen Temperaturen

und der Integrationsdichte. Die höheren Betriebstemperaturen gehen einher

mit höheren Temperaturschwankungen. Für die deshalb erforderlichen größeren

Toleranzen ist immer weniger Raum verfügbar. Ebenso nehmen mechanische

Spannungen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten zu. Um die thermische

Situation zu beherrschen sind neue Konzepte für das thermische Design

erforderlich. Der Trend zu smarten Komponenten und Systemen bringt Logik und

Leistung zusammen. Daraus ergibt sich eine zunehmende Notwendigkeit passive

Bauelemente zu integrieren. Besonderer Bedarf wird für integrierbare, kleine,

hochvoltfähige Induktivitäten gesehen. Im Hinblick auf integrierte Sensorik wird die

Bedeutung der Stromsensorik höher eingeschätzt als die der Temperatursensorik.

Es müssen Systemtopologien zur Unterstützung der fortschreitenden Integration

gefunden werden, die u.a. zu „Smarten Applikationen“ (Bild 7) führen.

Fortschrittliche Modulkonfigurationen wie z.B.Ultra-Compact, High-Reliability All-

SiC Module in [14] stehen hier stellvertretend für integrative Form-Faktor-Lösungen

(Power Cycle Test, 10-fache PCT-Zuverlässigkeit verglichen mit konventionellen

Modulen mit T jmax

200 °C and ∆T j

=175 °C [15]).

Processor

&

Radio

Memory

Power

Sensor

&

Actuator

Silicon based

technologies

Non-silicon based

technologies

printing, polymer-based,

embroidered…

System integration

technologies

hetero, hybrid lightweight

structures, …

Bild 7: Smart Systems aus Technologiesicht [12]

Der Anschluss der Peripherie über Stecker oder ähnliche Kontaktierungsvarianten

benötigt für integrierte Systeme ebenfalls neue Lösungsansätze. Auf der höchsten

Stufe des systemischen Aufbaus wird eine Kompatibilität zu bekannten Anschlusssystemen

gefordert werden, die dennoch den jeweiligen Spezifika und individuellen

Anforderungen des zu integrierenden Systems gerecht werden müssen.

Auch die weitere Umverdrahtung zu den tieferen Systemebenen verlangt nicht nur

unter den Gesichtspunkten Funktion und Robustheit nach neuen optimalen Lösungen,

sondern vor allem auch unter dem Blickwinkel stark reduziertes Volumen und

reduzierte Flexibilität des zur Verfügung stehenden Bauraumes.

16


Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

Bild 8: Schematik: SiC Ultra-Compact,

High-Reliability All-SiC Module (SiC-metaloxide-semiconductor

field-effect transistor

(MOSFET) and SiC-Schottky barrier diode

(SBD)) [14]

Die Power Cycle-Festigkeit wurde hier u.a. durch die Modifikation z.B. des Al-Bonddrahtes

erreicht [15], Bild 9. Die darüberhinaus entwickelten und optimierten Cu-

Bonddrähte sind aus der Sicht der gesamten Funktionsanforderungen der Module

in der Einsatzvorbereitung bzw. ersten Produkten [24−26].

Bild 9: Wirebond-Degradation für unterschiedliche sequentielle Chipverbindungswerkstoffe

[15]

17


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

Ein Beispiel für eine Schlüsselposition von Materialien sind Bodenplatten von Leistungsmodulen.

Für hochintegrierte Leistungselektroniksysteme werden Materialien

oder Materialkombinationen benötigt, die spannungsfester sind und thermisch

besser leiten als die verbreiteten IMS Materialien. Um diese kritischen Wechselwirkungen

beherrschbar zu machen, sollte die Materialforschung verstärkt werden,

z.B. durch die Erforschung von Graphenen für thermisches Management oder auf

Aluminium laminierbare Keramikfolie. Einen interessanten alternativen Ansatz stellen

hybride Substrattechnologien dar, die aus einer Kombination von organischen,

keramischen und metallischen Komponenten bestehen.

4 Verfahrenszuverlässigkeit

Wesentliche Herausforderung bei Systemintegrationen ist die Transformation von

Systemanforderungen in die jeweiligen Subsystem- bzw. Komponentenanforderungen

für deren optimale Auslegung. Auf Grund der hohen Wertschöpfungsstufe der

vollständig integrierten Systeme müssen bereits auf der Komponentenebene hohe

Qualifikationsroutinen oder –standards erfüllt werden. Damit kann der erforderliche

First Pass Yield in der Fertigung und der Lebensdaueraspekt im Feld realisiert werden.

Die Anforderungsgrößen an die Verfahrenszuverlässigkeit sind zwingend zu

erarbeiten, um die Akzeptanzkriterien der Modulkomponenten zu definieren.

Bild 10: Homologe Temperaturen unterschiedlicher Die Attach-Materialien [9]

In [15, 19] werden Sn-Sb-Lote für stabile Die-Attach-Eigenschaften entwickelt und

appliziert (eutektisch und über-eutektisch zur Ausscheidungshärtung).

18


Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

Bild 11: SAM-Ergebnisse SnAg (links) und SnSb-Degradation nach 2000 TCT-Zyklen [19]

Die lateralen Degradationsmerkmale in der Die Attach-Ebene (x-y-plane) sind besonders

relevant für die homogenen elektrischen, thermischen und thermo-mechanischen

Eigenschaften. Ein Vergleich unterschiedlicher Lotwerkstoffe mit einer Sinterebene

zeigt Bild12 aus der Sicht der heterogen verteilter Defekte.

PbSn

Au12Ge

Zn5Al0.1Ge

Sinter-Ag

Thermal cycling, N = 3004 cycles: Si3N4 substrate / SiC die

Bild 12: Vergleich der thermo-mechanischen Zuverlässigkeit von Hochtemperatur-

Zusatzwerkstoffen (x-y-Ebene) [20]

Die z-Achse (Delaminationsebenen) wird vorzugsweise über die Modellierung der

Mixed-Mode Delamination mittels der Cohesive Zone Methode [34] durchgeführt,

um die adhäsive/kohäsive Grenzflächenqualität zu beschreiben. Eine Kombination

mit der Bruchmechanik wird in [35] ergänzend beschrieben, da die etablierten Ansätze

von Lotverbindungen durch multiples Versagen nicht mehr greifen.

19


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

Bild 13: Degradationen

an der Grenzfläche DCB-

Cu und Ag-Metallisierung

durch Void-Bildung während

thermozyklischer Belastung

[40]

Durch den fortgesetzten Trend der Integration steigt die Komplexität von Leistungselektroniksystemen

weiter an. Einerseits nimmt die Anzahl der Komponenten im

System zu, andererseits werden diese Komponenten selbst komplexer. Die Testabdeckung

muss eine Erkennung von Problemen und Fehlfunktionen auf der niedrigst

möglichen Wertschöpfungsstufe erlauben, um teuren Ausschuss zu minimieren.

Dafür sind neue Testverfahren notwendig, die z.B. in Form von inkrementellen

Tests, beginnend mit dem Bauteil über die Komponente und das Subsystem bis hin

zum System die spezifizierten Eigenschaften verifizieren.

Dabei ist nicht nur für die Testverfahren, sondern ganz grundsätzlich für die gesamte

Prozesskette der höchst mögliche Grad an Automatisierung anzustreben.

Untersuchungen zu geeigneten zerstörungsfreien Prüfmethoden werden relativ

breit gefasst, um die Anwendungsmerkmale mit der Identifikation zulässiger oder

nicht-zulässiger Fehlermerkmalen in den Verbindungsebenen zu diagnostizieren

[30, 32, 37, 39]. Ergänzend zu SAM (Bild 11) sollen durch die gepulste thermische

Anregung im Layer-Stack lokal vorhandene „Defekte“ mit der Lock-In-Thermografie

erkannt werden [37].

Auch die Qualifikation von Komponenten, Subsystemen und Systemen erfordert

neue Vorgehensweisen, um die neuen Materialien und die Ergebnisse der modifizierten

Fertigungsprozesse zu erfassen. Die Qualifikation muss anwendungsbezogen

und auf die verwendeten Technologien abgestimmt sein. Die hohen Belastungen

der Halbleiter-Bauelemente sind nicht nur vom physikalischen Standpunkt

kritisch, die Berücksichtigung und Voraussage der Zuverlässigkeit bereits in der

Entwicklungsphase ist wesentliche Voraussetzung für den Designerfolg [28, 37].

Dazu sind geeignete zu bewertende Merkmale, z.B. R th

/Z th

Messung am integrierten

Konzept, zu definieren und angemessene Abnahmekriterien zu finden und in Standardisierungsansätzen

umzusetzen.

Ein Entwicklungsziel für Leistungskomponenten und –module hoher Temperaturwechselbeständigkeit

sollte die Kombinierbarkeit mit heute etablierten Fertigungsprozessen

sein (Sintern vs. Löten). Dabei stellen die vielen Ebenen der Verbindung

mit unterschiedlichen Materialien eine besondere Herausforderung dar, da jede

Kombination unterschiedlicher Materialien das Potential für Ausfälle aufgrund von

unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten (Bild 18) darstellt. Das Identi-

20


Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

fizieren der verschiedenen Fehler- und Schädigungsmechanismen und Materialeigenschaften

in verschiedenen Temperaturhubbereichen stellt eine Hauptaufgabe

bei der Bearbeitung dieses Entwicklungstrends dar. Ggf. müssen Lebensdauermodelle

(Physics-of-Failure) aus den Untersuchungen abgeleitet werden, damit sie

anschließend für die Zuverlässigkeitssimulation neuer Werkstoffkombinationen genutzt

werden können.

Ein weiterer Hauptaugenmerk muss auf der Weiterentwicklung von Materialien

und Verbindungswerkstoffen sowie den -verfahren liegen. Dabei sind sehr feste

Verbindungen (z. B. Sinterverbindungen) dahingehend weiterzuentwickeln, dass

sie belastungskompatibel auf (thermo-)mechanischen Stress reagieren. Für neue

Verbindungsverfahren wird am Ende der Entwicklungskurve nach einheitlich verarbeitbaren

Komponenten (z. B. vereinheitlichte Oberflächenanforderungen, etc.)

gestrebt. Volumenproduktionsverfahren angepasst sind.

Der Trend zu Leistungskomponenten und -modulen hoher Temperaturwechselbeständigkeit

wird begleitet durch den Trend zu steigender Leistungsdichte und weiter

steigenden Anforderung aus den verschiedenen Anwendungen. Z. B. sieht die Automobilbranche

mögliche Vorteile für die Systemkosten durch die Verwendung von

Luft- statt Flüssigkeitskühlung.

Wichtige Enabler für diesen Trend sind massenproduktionsfähige Hochtemperatur-

Verbindungstechniken (z. B. Sintern, Diffusionslöten) und die Material-Entwicklung

rund um die Komponenten z.B. eines Leistungsmoduls, also diejenigen Materialien,

deren nicht angepasste thermische Ausdehnungskoeffizienten zur geringen Temperaturwechselbeständigkeit

beitragen.

Für Formfaktor-optimierte Leistungsmodule spielt die Weiterentwicklung von Umhüllungstechniken

(z. B. Molding, Vergussverfahren) eine zunehmend wichtige Rolle,

ebenso Phase Change TIM-Materialien, wie sie z.B. in [36] beschrieben werden

(Bild 14).

Bild 14: Ausbreitungsmerkmal

PC-

TIM-Material [36]

21


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

Einhergehend mit der Entwicklung der Leistungsmodule wird die Miniaturisierung

der passiven Komponenten im System voranzubringen sein und diesbezüglich

werden auch die Schnittstellen zwischen den Komponenten (Terminal Hilfs- und

Signalkontakte) Gegenstand zukünftiger Entwicklungen sein. Ebenso wird die

Schnittstelle zum Kühlkreislauf in die Entwicklung mit einzubeziehen sein, so z.B.

die Integration und Optimierung von im Leistungsmodul integrierten Kühlern. Die

eingeschränkten Formgebungsmöglichkeiten von DCB-Substraten erfordern auch

eine Weiterentwicklung der 2D- zu 3D-Substrattechniken.

Durch den Fortschritt in anderen Technologien (Verbindungstechnik) werden die

keramischen Schaltungsträger in Leistungsmodulen eine Begrenzung für deren Zuverlässigkeit

oder Robustheit sein. Gegenstand zukünftiger Materialentwicklungen

muss deshalb sein, die Festigkeit des Substratverbundes in Einklang mit der Festigkeit

der AVT zu bringen [38].

Ein weiter sich abzeichnender Trend ist die Verdrängung teurerer Substratvarianten

hin zu günstigeren (bedingt durch günstigere Fertigungsprozesse). So stellen

leiterplattenbasierte IMS Substrate in Niederspannungsapplikation eine Alternative

zu Keramik-substraten dar.

Hochwertige keramische Substrate können in Hochspannungsapplikationen auch

die Funktion einer Bodenplatte integrieren und somit vorteilhaft sein.

Um massenproduktionsfähige Hochtemperatur-Verbindungstechnik für bis zu

200°C halbleiternahe Betriebstemperatur zur Verfügung zu haben, ist noch eine

Reihe von Aufgaben zu lösen. So sind sowohl entsprechende halbleiternahe Kontaktierungsverfahren,

wie das hochtemperaturfähige Die-Attach (z. B. durch Sintern)

sowie die Halbleiter-Oberseitenkontaktierung (z. B. Cu für das Cu-Dickdrahtbonden

oder mittels neuer Werkstoffe) zu lösen. Verkapselungsmaterialen (diese sind oft

nicht genügend temperaturbeständig), Verbindungswerkstoffe und –verfahren sind

zu entwickeln und begleitend müssen entsprechende Prüfverfahren für Hochtemperatur-Anwendungen

entwickelt werden. Hinsichtlich der Entwicklung geeigneter,

beschleunigter Alterungstests ist zu beachten, dass oberhalb 200 °C neue Fehlermechanismen

zu erwarten sind (temperaturgetrieben, z. B. Elektromigration, Diffusion).

Substratmaterialien und Gehäusetechnik stellen weitere Herausforderungen

dar. Dauerhaft halbleiternahe Betriebstemperaturen von 200 °C stellen mittelfristig

eine sinnvolle Richtgröße dar.

Zu bedenken bleibt dabei, dass auch die Einsatzgrenze für passive BE weit unterhalb

von 200 °C liegt. Parallele Entwicklungen auf diesem Gebiet sind anzustoßen,

um den Trend integrierte Signal-/Leistungsbaugruppen für höhere Einsatztemperaturen

zu unterstützen [43].

Die Qualifikationsanforderungen an Zusatzwerkstoffe (Kleben, Löten, Sintern) und

Halbzeuge des Packaging von leistungselektronischen Komponenten und Modulen

müssen zwingend erarbeitet werden, um hier den Funktions- und Zuverlässigkeitsanforderungen

entsprechen zu können. Heute fehlende Regularien zwischen

Lieferanten und Kunden sind systemspezifisch zu erarbeiten. Da die Verfahrenszuverlässigkeit

eine Vorbedingung für die Feldperformance der Module darstellt, müs-

22


Entwicklungstendenzen für die Leistungselektronik

sen ganz klare Akzente der Material- und Zusatzwerkstoffanforderung erarbeitet

werden. Die heutigen Forderungen z.B. an Sinterpasten-Qualitäten sind beginnend

spezifiziert und benötigen Vorgaben der Qualifikationsalgorithmen, die idealerweise

standardisiert vorliegen müssen.

a

b

c

d

e

f

Bild 15: Beispielhafte Sinterverbindungen

(a: hinreichender Prozess

mit hoher Sinterdichte; b: Grenzflächenschwäche

zur DCB-Seite; c: unzulässige

Reduktion des tragenden

Verbindungsquerschnittes; d: Delamination;

e: Rückstandsverhalten;

f: Rauhigkeit Substrat) [9]

Die heutige „Bestellung lastwechselfester“ Sinterpasten oder hochtemperaturgeeigneter

Lotpasten ist nicht hinreichend belegt und muss objektiviert werden. Das

betrifft im wesentlichen die Wareneingangsprüfungen, die zwischen Lieferant und

Kunde erarbeitet werden müssen. Das Sourcing entsprechend der Wertschöpfungs-

und Prozesskette muss mit der Festlegung von Akzeptanzkriterien für die HT

-Lote, TLPS -, TLPB -Funktionswerkstoffe und der Sinterpaste dringend gekoppelt

werden, eine offene Fragestellung im Gesamtkontext der Wertschöpfung. Diese

Qualifikationsarbeiten sind gleichermaßen für die Sytemkomponenten Chip-Topund

Bottom-Metallisierung, Substrate, Bodenplatten und Kühlkörper notwendig.

Die hier notwendigen Qualifikationen betreffen die gesamte Wertschöpfungskette

vom Wafer bis zur Systemapplikation. Die Top- und Bottom-seitigen Metallisierungen

der Halbleiter und Substrate (organisch, anorganisch, metallisch), der Grenzflächeneigenschaften

der TIM-Materialien, der Metallisierungen der Bodenplatten,

23


Fachwissen Mikroverbindungstechnik

Kühlkomponenten und der systemischen Anbaukonstrukte sind entsprechend der

höheren thermischen Anforderungen im Verbindungsprozess zu qualifizieren. Mit

den Metallisierungen verbunden sind Defizite der Akzeptanz durch prozessimmanente

Dimensionsinstabilitäten. Durch die Globalisierung der Wertschöpfungsketten

sind die Anforderungen hier stetig steigend.

Für die flächigen Verbunde Chip / Substrat sind maximal zulässige Fehlstellen zu

identifizieren, die die Funktionalität nicht beeinflussen (z.B. Void < 1mm (Die-Substrat-Verbund),

Void < 3mm (Substrat-Bodenplatten- (Kühlkörper-) Verbund. Diese

sind nicht entscheidend für mechanische Degradationen, aber für die thermische

Leitfähigkeit (Impedanz; Voids als Hotspot). Hier sind die Akzeptanzkriterien der

Halbzeuge nicht bekannt.

Ag-sinter layer

Cu

Pores

Bild 16: Grenzfläche eines gesinterten Verbundes Si-Chip/DCB-Substrat

5 Technische Zuverlässigkeit

Die Verfahrenszuverlässigkeit ist unter den Bedingungen massentauglicher Fertigungsprozesse

zu erarbeiten (Kausalitäten in Massenprozessen über Produkt- und

System-Entwicklung., basierend auf Prozess- und Fehlermechanismen), Qualifikation

des Zuverlässigkeits-KnowHow, Charakterisierung Physics of Failure, um die

Tool-Kompetenz aufzubauen.

Unter Beachtung der Feldbedingungen der leistungselektronischen Anwendungen

müssen basierend auf den Mission-Profiles die Zuverlässigkeitsprüfungen kausal

erarbeitet werden [50]. Der Schwerpunkt liegt in der Adaption und Entwicklung

wirkungsäquivalenter und/oder belastungskompatibler Testmethoden (LV 324),

basierend auf den systemischen Einflussgrößen. Die Lieferantenvorschrift LV 324

„Leistungsmodule – Qualifikation von Leistungsmodulen für den Einsatz in Komponenten

von Kraftfahrzeugen“ gibt hier die Prüfszenarien vor [42]. Aktive Power

Cycle Test bestimmen die Lebensdauer von Leistungsmodule unter Betriebsbedingungen.

Die Anzahl der Zyklen bis zum Ausfall (Nf) wird beeinflusst durch die

Temperatur, die Anzahl von T-Wechseln (ΔT j

), die minimale Temperatur (T jmin

), die

Aufheizzeit (t on

) und die Stromstärke (I Heat

) [44]. Die systemischen Modulaufbauten

nehmen dabei stark Einfluß auf die Ergebnisse des PCT. Bisher publizierte Testdaten

sind in [44] zusammengefasst und gewichtet. Mit Hilfe von Transformation

der thermischen Impedanzergebnisse wird heute versucht chipnahe und chipfer-

24

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