SelFü - Neuartige Fügeverbindungen von Komponenten der Hochleistungselektronik

Abstract

Die demonstrative Anwendung im Projekt "SelFü" sah die Integration verschiedener Funktionseinheiten auf einem Verdrahtungsträger vor, für die es zuvor nur getrennte Lösungen gab. Das bedeutet, dass die Leistungselektronik und die Steuer bzw. Logikelektronik auf einem organischen Verdrahtungsträger integriert wird. Als Anwendung diente im Projekt ein elektrischer PKWAntrieb betrieben, wobei die zu entwickelnde Technologie bei jeder Form vom Leistungselektronik zum Einsatz kommen kann. Hierfür verantwortlich sind die äußeren marktbedingten Treiber zur Kosten und Materialeinsatzreduzierung, sowie zur Reduzierung des Bauraums, welche als Ganzes im Projekt adressiert wurde. Die Kernherausforderung des Vorhabens bestand in der Umsetzung einer Prozessführung zur Herstellung eines organischen Schaltungsträgers, der mit verschiedenen und hochtemperaturtauglichen Aufbautechnologien (u.a. Weichlöten, Sintern, Diffusionslöten) realisiert werden kann. Aufgrund der hohen Temperaturentwicklung der Leistungsbauelemente wurden metallische Einleger aus Kupfer entsprechend der elektrischen und thermischen Funktionalität in das organische Substrat eingebettet. Darüber hinaus muss für eine solche Elektronik, die im industriellen Umfeld eingesetzt werden soll, die Zuverlässigkeit unter realen Lastbedingungen für mehr als 10 Jahre gewährleistet werden. Hierbei muss, aufgrund der hohen zu erwartenden Verlustleistung, die thermomechanische Wechselwirkung aller Elektronikkomponenten und Schaltungsträger berücksichtigt werden. Dies betrifft die Einzelbauelemente, deren Geometrie, innerer Aufbau und Lage auf dem Substrat. Des Weiteren ist der Aufbau des organischen Verdrahtungsträger, hinsichtlich der Wärmeleitung unter dem Leistungsbauelement und dem angeschlossene Kühlsystems auf der Rückseite von entscheidender Bedeutung für einen dauerhaften und zuverlässigen Betrieb. Der Fokus der Forschung lag hierbei auf den neuartigen und hochtemperaturtauglichen Verbindungswerkstoffen und dem Schaltungsträger, da die stark wärmeverlustbehaften Bauelemente mit dem Schaltungsträger mechanisch, thermisch und elektrisch verbunden sind und somit entscheidend für die Langzeitzuverlässigkeit sind. Am Anfang des Projekts 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 SMDVerbindungen, der Wärmeabfuhr oberflächenmontierter 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 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 Abstimmung der einzelnen Arbeitsschritte. Entsprechend dem Projektplan sind am Ende des ersten Jahres die Anforderungen an die zu entwickelnden Technologien zusammengetragen, die Versuchsträger konzipiert und teilweise frühzeitig aufgebaut, sowie erste Charakterisierungsversuche an Hochtemperaturverbindungen durchgeführt wurden. Das IKTS hat sich im ersten Projektjahr konkret damit beschäftigt, numerische Methoden zur Bewertung der Zuverlässigkeit zu entwickeln und zu prüfen. Diese sollen zukünftig bereits, während einer solchen Elektronikentwicklung eingesetzt werden können. Der Schwerpunkt hierbei besteht in der Verknüpfung von thermischen und thermomechanischen Verformungs und Ausfallanalyse, welche als Hilfsmittel für das Schaltungsträgerdesign im Vorfeld der Umsetzung die Lebensdauer berechnen bzw. Schwachstellen identifizieren lassen kann. Im zweiten Projektjahr wurden, die am Projektanfang gefassten Konzepte für verschieden Versuchsträger und die Adaption der Anlagentechnik erfolgreich umgesetzt. Das IKTS hat in der Zeit die Versuchsstände zur thermischen, mechanischen und thermomechanischen Charakterisierung in Betrieb genommen und mit den im Konsortium aufgebauten Technologieprüflinge getestet. Insbesondere die thermischen und mechanischen Experimente wurden umfangreich durchgeführt. Im dritten Projektjahr wurden weitere Versuchsträgerplatinen unter Berücksichtigung der im zweiten Projektjahr gewonnen Erkenntnisse hergestellt. Bei 2 der 4 hergestellten Leiterplattentypen kam es dabei zu Fehlern an der Oberflächenmetallisierung der Anschlussflächen für die Leistungsbauelemente. Die Fehlerurasche 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 konnten die Zuverlässigkeitsversuche an den kombinierten Leiterplatten, aus Hochtemperatur und SMDVerbindung, erst im Rahmen der kostenneutralen Verlängerung (KNV) abgeschlossen werden. Ebenso wurden in dem Jahr die Versuche zum PowerCycling bei IMG etabliert und an konventionell gelöteten Packages auf Leiterplatten mit verschiedenen Kühlsystemen erprobt. Diese wurden im Rahmen der KNV auf diffusionsgelöteten und gesinterten IGBTs (Leistungsbauelement) erweitert. Auch wurden umfangreiche Versuche zur mechanischen Charakterisierung von Diffusionslotverbindungen durchgeführt, sowie Zuverlässigkeitsversuche an den Technologieversuchsträgern der verschiedenen Hochtemperaturverbindungen abgeschlossen. Die Ergebnisse zur Verbindungsbildung aus den metallografischen Schliffen und den Abscherversuchen ergaben eine ausreichende Stabilität für beide Verbindungswerkstoffe (Silbersintern und Diffusionslöten). Aufgrund dieser Ergebnislage konnte keine Priorisierung durchgeführt werden. Vielmehr ist das Konsortium von beiden temperaturfesten Fügeverfahren überzeugt. Die kooperative Bearbeitung des Verbundprojektes wurde durch engagiertes Arbeiten aller Partner erfolgreich abgeschlossen.