Neuartige Fügeverbindungen von Komponenten der Hochleistungselektronik (SelFü)

Abstract

Bei dreiphasigen Spannungswechselrichtern wurde vor dem Projektstart 2 Platinen verwendet. Ein IGBT-Modul auf Basis eines Keramiksubstrats und ein IGBT-Treiber auf einem organischen Verdrahtungsträger. Diese wurden i.A. händisch auf einem Kühlkörper montiert. Durch die im Projekt umgesetzte Übertragung des IGBT-Moduls auf organische Verdrahtungsträger und die dadurch mögliche Kombination mit dem IGBT-Treiber konnte der Spannungswechselrichter erfolgreich auf einem organischen Verdrahtungsträger umgesetzt werden. Dies führt zu einer erheblichen Verringerung des benötigten Bauraums und des Material- und Montageaufwands. Die im ersten Jahr vom Konsortialführer IMG veränderte Anwendung des geplanten Demonstrators vom Straßenbahnumrichter auf ein Modul zur Elektrifizierung eines PKWs wurde bis zum Projektende beibehalten. Die Integrationstechnologie von oberflächenmontierter Leistungselektronik mit der Steuerung auf demselben organischen Verdrahtungsträger mit Metallkerneinleger ist auch für diese Anwendung relevant. Auswirkungen dieser Veränderung auf die technologischen Teilentwicklungen konnten auch bis zum Ende des Projekts nicht festgestellt werden. Im ersten Projektjahr (2022) wurden Material- und Prozessanforderungen für die Kombination von SMD- und Hochtemperaturverbindungsbildung zusammengestellt und Konzepte für die kombinierte Prozessierung erarbeitet. Die resultierenden Vorgaben wurden im weiteren Projektverlauf in Probekörper überführt, die sich mit der Hochtemperaturverbindungsbildung, der Integration von Hochtemperatur- und SMD-Verbindungen, der Wärmeabfuhr oberflächen-montierter Leistungsbauelemente auf organischen Verdrahtungsträgern und der mechanischen Charakterisierung der Hochtemperaturverbindungen beschäftigen. Zudem wurden Anlagenmodifikationen für die selektive Herstellung von Hochtemperaturverbindungen auf organischen Verdrahtungsträgern konzipiert. Für die Herstellung der Probekörper arbeiteten die verschieden Projektpartner konstruktiv zusammen, um die bei den einzelnen Partnern vorhanden Kompetenzen im Prozessablauf zu bündeln. Die monatlich abgehalten Projektreffen ermöglichten hierbei eine effiziente und detaillierte Ab-stimmung der einzelnen Arbeitsschritte. Entsprechend dem Projektplan waren am Ende des ersten Jahres die Anforderungen an die zu entwickelnden Technologien zusammengetragen, die Versuchsträger konzipiert und teilweise schon aufgebaut, sowie und erste Charakterisierungsversuche an Hochtemperaturverbindungen durchgeführt. Im zweiten Projektjahr (2023) wurden am Projektanfang gefasste Konzepte für verschieden Versuchsträger und die Adaption der Anlagentechnik erfolgreich umgesetzt. Bei der Umsetzung der neu konzipierten Versuchsträger aus dem ersten Projektjahr kam es auf Grund technologischen Weiterentwicklungen teilweise zu Problemen bei der Herstellung. Diese Probleme wurden im Konsortium diskutiert und durch Layout- oder Prozessanpassungen beseitigt. Dafür waren teils mehrere Produktionsanläufe notwendig, wodurch sich die Herstellung der Versuchsträger länger als ursprünglich geplant gestaltete. Die Adaption der konzipierten Anlagentechnik wurde im zweiten Projektjahr erfolgreich durchgeführt und erste Muster konnten mit überführten Prozessprofilen aufgebaut werden. Die Ergebnisse zur Verbindungsbildung aus den metallografischen Schliffen und den Abscherversuchen ergaben eine ausreichende Stabilität für beide Verbindungswerkstoffe (Silbersintern, Diffusionslöten). Aufgrund dieser Ergebnislage, für die Priorisierung eines der beiden temperaturfesten Fügeverfahren, hat sich das Konsortium entschlossen beide Fügeverfahren bis zum Ende des Projekts gleichwertig weiter zu untersuchen. Unerwartet niedrige Scherwerte, die bei den Hochtemperaturverbindungen auftraten konnten durch detaillierte Analysen und Diskussionen im Konsortium verstanden und die Gründe abgestellt werden. Im Jahr 2024 wurden auch die Versuche zum Power-Cycling bei IMG etabliert und an konventionell gelöteten Packages auf Leiterplatten mit verschieden Kühlsystemen erprobt. Diese wurden im Rahmen der kostenneutralen Verlängerung (KNV) auf diffusionsgelötete und gesinterte IGBTs erweitert. Auch wurden umfangreiche Versuche zur mechanischen Charakterisierung von Diffusionslotverbindungen durchgeführt, sowie Zuverlässigkeitsversuche an den Technologieversuchsträgern der verschiedenen Hochtemperatur-verbindungen abgeschlossen. Außerdem wurden im dritten Projektjahr weiter Versuchsträgerplatinen unter Berücksichtigung der im zweiten Projektjahr gewonnen Erkenntnisse hergestellt. Bei 2 der 4 erstellten Leiterplattentypen kam es dabei zu Fehlern an der Oberflächenmetallisierung der Anschlussfläche für das Leistungsbauelement. Die Fehlerursache konnte in Diskussionen im Konsortium identifiziert werden und eine Neuauflage der betreffenden Leiterplattentypen wurde vereinbart. Die Produktion dieser fehlerbereinigten Leiterplatten war aber erst Anfang 2025 umsetzbar. Resultierend können die Zuverlässigkeitsversuche an den kombinierten Leiterplatten, aus Hochtemperatur- und SMD-Verbindung, erst im Rahmen der kostenneutralen Verlängerung abgeschlossen werden. Nichtsdestoweniger wurden Temperaturschockexperimente mit den bereits gelieferten Leiterplatten, aber fehlerbehafteten Oberflächenmetallisierung, durchgeführt. Dadurch konnte das Verhalten der SMD-Bauteile und des Versuchsaufbaus zur in-situ Widerstandmessung im Allgemeinen untersucht werden. Dabei traten verschieden Herausforderungen auf die vor dem Start des finalen Zuverlässigkeitsversuchs durch das IAVT und IKTS beseitigt werden konnten. Im dritten Jahr des Verbundprojekts SelFü kam es auf Grund verschiedener Herausforderungen bei der Versuchsträger- und Demonstratorherstellung zu nicht kompensierbaren Verzögerungen im Projektplan, welche die Beantragung einer kostenneutralen Verlängerung notwendig machte. Diese Verlängerung, um 6 Monate, wurde am 04.12.2024 bewilligt. Somit endete das Projekt SelFü offiziell am 30.06.2025. Während der KNV in 2025 konnten die Zuverlässigkeitstests an den neu aufgebauten Versuchsträgern erfolgreich Abgeschlossen werden. Parallel dazu wurden auch vergleichende FEM-Analysen durchgeführt um das experimentell beobachtete Ausfallverhalten auch auf strukturmechanischer Ebene zu verstehen. Zusätzlich konnten mit beiden Hochtemperaturverbindungstechnologien erfolgreich Demonstratoren aufgebaut und beim Konsortialführer IMG in Betrieb genommen werden. Somit wurde das Verbundprojekt SelFü vollumfänglich erfolgreich im Rahmen der KNV abgeschlossen. Betrachtet man den Erkenntnisgewinn seit Projektstart so wurden Materialien und Prozesse zusammengestellt um die beiden Hochtemperaturverbindungen auf organischen Verdrahtungsträgern umzusetzen und die Zuverlässigkeit dieser Verbindungen wurde nachgewiesen. Zusätzlich wurden die Hochtemperaturverbindungen noch umfangreich mechanisch charakterisiert. Außerdem wurden Dickkupferstrukturen zur Versorgung und Kühlung der Leistungsbauelemente in die Verdrahtungsträger eingebracht. Hierbei wurde ein gänzlich neuer Prozess mit kombinierter chemischer und mechanischer Bearbeitung entwickelt um komplexer Einlegerstrukturen zu ermöglichen und die Zuverlässigkeit der Verdrahtungsträger nachgewiesen. Um eine anwendungsnahe Belastungssituation abzubilden wurden auch umfangreiche PowerCycling-Tests durchgeführt. Auch hierbei zeigte sich die hohe Zuverlässigkeit der entwickelten Technologien. Bei der Auswertung der Kombinierten Hochtemperatur- und SMD-Zuverlässigkeitstest während der KNV zeigte sich, dass die Leistungsbauelemente (IGBT-Packages) auf Grund Ihrer großflächigen Anbindung direkt auf dem Kupferkern nur geringen thermo-mechanischen Stress erfahren. Zweipoler nahe der Kante der Kupfereinleger zeigten hingegen ein früheres Ausfallverhalten in Abhängigkeit Ihrer Größe und Position. Diese Erkenntnisse wurden in Designvorgaben für die Anwendung der SelFü-Technologie überführt. Die kooperative Bearbeitung des Verbundprojektes wurde durch das engagierte Arbeiten aller Partner erfolgreich vorangetrieben. Jeder Partner stellt seine Ergebnisse in unterschiedlicher Tiefe in den jeweiligen Berichten dar.