Aufbau- und Verbindungstechnik

Neue Denkweisen entwickeln und anwenden

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Powerzyklen-Festigkeit der Verbindungstechnik

„In den meisten Standard-Leistungselektronikmodulen erfolgt der Schaltungsaufbau durch Lötverbindungen“, erklärt Merget die gegenwärtige Situation, „heute mit bleifreiem SnAg-Lot, früher auch mit SnPb/Ag, beziehungsweise durch das Bonden mit Aluminium-Dickdraht. Diese Materialien und die entsprechenden Prozesse sind seit Jahren bekannt und werden erfolgreich eingesetzt.

Nun erhöht sich die Leistungsdichte, verbunden mit zunehmenden Betriebstemperaturen von 150, 175, 200 °C und deutlich darüber. Hinzu kommen dann noch die Forderungen an verbesserte Langzeitzuverlässigkeit; bei Automotive-Anwendungen sprechen wir von 15 Jahre und länger. Das treibt die bekannten AVT-Materialien an die Grenzen ihrer Leistungsfähigkeit, etwa hinsichtlich thermo-mechanischem Stress aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten. Ein Beispiel dafür ist beim Auto der winterliche Kaltstart. Diese Temperaturveränderungen (Temperaturhübe) führen zur beschleunigten Alterung der Verbindungen.“

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Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS 24/2015 erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Verstärkt kommen in der Leistungselektronik Halbleiterbausteine auf Basis von SiC (Siliziumkarbid) oder GaN (Galliumnitrid) zum Einsatz. Solche Halbleiter erlauben mehr Leistung pro Quadratzentimeter Chip-Fläche, deutlich höhere Schaltfrequenzen bei niedrigeren Schaltverlusten und funktionieren zuverlässig bei wesentlich höheren Sperrschichttemperaturen.

Dazu Merget: „Für solche Bausteine bedarf es optimierte Verbindungsmaterialien mit verbesserten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften. Diese neuen Materialien müssen zuverlässig bei den nun erreichbaren höheren Betriebstemperaturen arbeiten.“

Heraeus beschäftigt sich in einer Vielzahl von Projekten mit Fokusthemen, insbesondere im Rahmen des Übergangs zu bleifreien Loten mit Verbesserungen der thermozyklischen Beständigkeit und der Hochtemperatureigenschaften der Lotlegierungen.

Typische Herausforderung bei diesen Arbeiten ist der Zielkonflikt aus möglichst niedriger Prozesstemperatur beim Löten (Belastung der Bauelemente, Verdrahtungsträger, usw.) und der angestrebten Hochtemperatureigenschaften der Fügeverbindung.

In Hanau lassen sich komplette Fertigungsprozesse in unternehmenseigenen Laboren darstellen. Daraus leiten die Experten dann die entscheidenden Ergebnisse ab und arbeiten eng mit ihren Kunden zusammen, mit dem Ziel eines optimierten Fertigungsprozesses für die Industrie.

Auch Untersuchungen bezüglich Bond-Oberflächen tätigt man in eigenen Einrichtungen sowie Analytik-Abteilungen. Die Ergebnisse werden anschließend an den entsprechenden Maschinen ausprobiert und können in das fertige Produkt einfließen.

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