EPP 09.2022

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» BAUGRUPPENFERTIGUNG Robuste Haftmaterialtechnologie reduziert Komplexität von Werkzeugen Herstellung und Montage von Leistungsmodulen Die wachsenden Leistungsanforderungen an Leistungselektroniksysteme, die durch schnelle Fortschritte in Anwendungsbereichen wie der Technologie für Elektrofahrzeuge (EV) vorangetrieben werden, stellen weiterhin Herausforderungen für das Moduldesign dar [1] . Angesichts erhöhter Sperrschichttemperaturen, Stromdichten und komplexer thermischer Systemlösungen stehen die Ingenieure vor der Aufgabe, während der Designphase und des Materialauswahlprozesses eine verbesserte Zuverlässigkeit zu erreichen. Dies erfordert ständige Optimierung des Leistungsmoduldesigns und Prozessablaufs, um effektive, zuverlässige Lösungen zu produzieren. Joseph Hertline, Product Manager, Indium Corporation Bild: Indium Typische Montage reihenfolge für Leistungsmodule, die Abbildung fasst typische Montageund Reflow-Sequenz des Leistungsmoduls zusammen Vakuum-Reflow mit Ameisensäure-reduzierender Atmosphäre hat sich als effektive Technik erwiesen, um eine hohe Qualität mit Lot-Preforms mit einer Void- Rate von weniger als 1 % zu erreichen [4] . Bei dieser Technik ist die Materialreinheit entscheidend, alle Rückstände, die nach dem Montageprozess verbleiben, müssen entfernt werden, um Leistungsprobleme wie erhöhten Leckstrom oder Korrosion zu vermeiden [3] . Ein Reflow-Prozess ohne Flussmittel kann Probleme aufgrund von Rückständen mindern und zusätzliche Reinigungsschritte vermeiden, die Prozesszeit und -kosten erhöhen. Für erfolgreiche Anwendungen in der Leistungselektronik ist der Produktionsprozess ebenso entscheidend wie das Design, um die geforderte Qualität und das Kostenziel zu erreichen. Ein Schlüsselelement ist die Verwendung von Werkzeugen, da sie das Design (z. B. Abstand und Toleranzen zwischen den Werkzeugen) und Herstellungsprozesse (Zykluszeit, Qualität und Kosten) beeinflussen. Prozessverbesserungen hochwertiger Reflow- Techniken mit Vakuum und Ameisensäure haben sich als wirksam erwiesen, um die Zuverlässigkeitsziele zu erreichen [2, 3] , der Schwerpunkt verlagert sich jedoch auf Skalierbarkeit und Effizienz, um Produktionsniveaus zu erreichen, die den aggressiven Anforderungen dieser neuen Anwendungen gerecht werden. Aufgrund der stetig steigenden Leistungsdichten in Leistungsmodulen gewinnen Lötprozesse, die den Einsatz von zusätzlichem Flussmittel vermeiden, immer mehr an Bedeutung. Die Vorabkosten für die Entwicklung von Prozessen, einzigartigen Geräten und speziellen Vorrichtungen zur Erzielung von Qualität sind ein wachsendes Problem, das sowohl eine erhebliche finanzielle Belastung als auch Auswirkungen auf die Markteinführungszeit für Leistungsmodulhersteller darstellt, die neue Designs einführen. Reflow-Löttechnik Anforderungen an Reflow-Lötwerkzeuge Eine unsachgemäße Ausrichtung des Lötvorformlings während der Montage kann zu latenten Defekten in der Lötstelle führen, einschließlich Neigung, mechanischer Belastung, ungleichmäßiger Wärmeübertragung und thermischer Belastung, was zu Delaminierungsfehler führt, die die Zuverlässigkeit während der Lebensdauer verringern. Um dies zu überwinden, entwickeln Konstrukteure in der Regel im Vorfeld des Einführungsprozesses neuer Produkte ausgeklügelte Platzierungs- und Ausrichtungsgeräte, um Bewegungen und Fehlausrichtungen während der Fertigungsmontage zu verhindern. Diese ausgeklügelten Befestigungssysteme erfordern eine gezielte Konstruk- 26 EPP » 09 | 2022

BAUGRUPPENFERTIGUNG « Bild: Indium Tack-Testergebnisse Bild: Indium Haftmaterialanwendung für Leistungsmodule, veranschaulicht wird ein werkzeugloses Konzept für eine typische Leistungsmodulmontage, insbesondere mit dem Haftmaterial, das an den Schnittstellen zwischen Chip und DBC-Substrat/Grundplatten -Lötvorform verteilt wird tion sowie Entwicklung und schaffen eine Reihe von Design-for-Manufacturing- Einschränkungen für das Leistungsmodul und den Montageprozess, wie z. B. die Verwendung fortschrittlicher Materialien zur Minderung der CTE-Effekte. Der Design- und Beschaffungsaufwand ist nicht nur mit hohen Kosten verbunden, sondern wirkt sich auch auf die Vorlaufzeit und die Markteinführung neuer Leistungsmodulprojekte aus. Schließlich sind diese Werkzeug- und Befestigungssysteme für ein bestimmtes Modulprodukt oder eine bestimmte Montagesequenz in der Regel einzigartig und haben wenig Möglichkeiten zur Wiederverwendung, was sich auf die Rendite der Vorabinvestition auswirkt, insbesondere für Hersteller mit begrenzter Produktionskapazität und einem hohen Produktmix. Werkzeugalternative Um diese Fertigungseinschränkung zu überwinden, wurde eine neuartige Materialtechnologie für die Lötvorformmontage entwickelt, um eine präzise Platzierung ohne spezielle Werkzeuge und Befestigungsgeräte zu ermöglichen. Dieses Material bietet, wenn es während der Montagesequenz ausgegeben wird, eine robuste Klebrigkeit, um eine konsistente Ausrichtung der Lötvorform und der Montagekomponenten aufrechtzuerhalten, wodurch eine ungleichmäßige Spannungsverteilung oder thermische Konzentrationen verhindert werden. Das in dieser Anwendung verwendete Haftmaterial enthält keine Flussmittelei- genschaften. Stattdessen wird es während des Reflow-Prozesses vollständig ohne verbleibende Rückstände verbraucht, wodurch die Notwendigkeit von Reinigungsschritten nach dem Prozess vermieden wird und es eine ideale Lösung für flussmittelfreie Ameisensäure-Reflow-Techniken ist, die in der Produktion von Leistungsmodulen weit verbreitet sind. Beurteilung des Haftmaterials Tack-Bewertung Zunächst wurde die Robustheit der Befestigungseigenschaften für dieses neuartige Material unter Verwendung eines herkömmlichen Klebrigkeitstestverfahrens analysiert, das üblicherweise für Materialien für Elektronikbaugruppen verwendet wird: • Kreisförmige Einlagen von Material gedruckt • Messungen alle 2 Stunden über einen Zeitraum von 24 Stunden • 20 % relative Luftfeuchtigkeit, konstant Das neuartige Haftmaterial wurde gegen ein herkömmliches klebriges Flussmittel sowie gegen Isopropylalkohol (IPA)-Varianten als Basis getestet und zeigt selbst im Vergleich zu einer typischen Lötpaste eine hohe Haftfestigkeit. Darüber hinaus bleibt diese hohe Klebrigkeit im Laufe der Zeit erhalten, was über eine lange Verarbeitungszeit beständige Eigenschaften zeigt. Die in diesem Aufbau getesteten IPA-Lösungen zeigten eine relativ geringe Klebekraft und einen signifikanten Abbau GA-Analyse von Haftmaterial: das Haftmaterial wird vollständig mit 0 Gew.-% verbraucht, nachdem es einer Temperatur von etwa 230ºC ausgesetzt worden war KURZ & BÜNDIG Wachsende Anforderungen an Leistungselektroniksysteme sind eine Challenge für das Moduldesign. Untersuchungen zeigten, dass robuste Haftmaterialtechnologie die Komplexität von Werkzeugen bei der Montage von Leistungsmodulen reduziert. Bild: Indium über einen kurzen Zeitraum, wodurch die Lebensfähigkeit von IPA als werkzeuglose Materialalternative verringert wurde. Abwesenheit von Rückständen Um die Brauchbarkeit des Haftmaterials weiter zu bewerten, wurde eine Reihe von Tests durchgeführt, um einen typischen Reflow-Prozess für Leistungsmodule zu simulieren, der Vakuum und Ameisensäure EPP » 09 | 2022 27