Aufbau- und Verbindungstechnik Neue Denkweisen entwickeln und anwenden

Redakteur: Gerd Kucera

Seit Februar 2015 forschen 25 Entwickler gemeinsam am Hanauer Heraeus-Standort im neuen Applikationszentrum an AVT-Lösungen für Power Devices. DCB-Substrate erweitern das Produktportfolio.

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Im Applikationszentrum entwickelt Heraeus neue AVT-Lösungen und testet Prototypen sowie Module nach Kundenspezifikationen und Anwendungsanforderungen.
Im Applikationszentrum entwickelt Heraeus neue AVT-Lösungen und testet Prototypen sowie Module nach Kundenspezifikationen und Anwendungsanforderungen.
(Bild: Heraeus)

Innerhalb der Heraeus Electronics ist die Material Systems eine Business-Development-Abteilung. Die Hanauer werden künftig die DCB-Substrate (Metall-Keramik-Substrate) selber herstellen und dazu neue Denkweisen in der Praxis anwenden.

Derzeit entsteht am Hanauer Firmensitz das Heraeus Innovation Center mit einem Investment von geplanten 40 Mio. €. Zu den dort künftig arbeitenden 200 Material- und Technologie-Experten gehören auch Entwickler von Bonddrähten und AVT-Materialien.

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Bereits im Rahmen des BMBF-Projektes Pro Power (Laufzeit 2012 bis Ende 2014) untersuchten die Hanauer, zusammen mit Industriepartnern und Forschungsinstituten, intensiv neuartige Materialien für Leistungshalbleiter-Module. Zur Herstellung neuer Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik (beispielsweise Kupfermaterialien) stand auch die gewissenhafte, erweiterte Grundlagenforschung im Mittelpunkt.

Lösungen des Pro Power Teams von Heraeus waren ihre Dickschicht-Metallisierungspasten, drucklose Sinterpasten und Sinterpasten zur Verarbeitung auf Cu-Oberflächen, Diffusionslotpasten, spezielle weiche Kupferbonddrähte und funktionale Substratoberflächen.

„Die Aufbau- und Verbindungstechnik beginnt sich stark zu verändern“, konstatiert Ralph Merget, Vice President Sales & Marketing bei Heraeus Material Systems, „denn mit steter Miniaturisierung der Bauteile steigen die Leistungsanforderungen. Hier müssen Entwickler den Einfluss und die Bedeutung der Materialien bei fortschreitender Zunahme der Leistungsdichte, der Schaltfrequenzen und der Zuverlässigkeitsanforderungen betrachten und berücksichtigen.“

Letztendlich gilt es, die Bauteile und eingesetzten Materialien genau zu spezifizieren, um ihr einwandfreies Funktionieren sicherzustellen – zum Beispiel bei höheren Temperaturen, die durch größere Leistungsdichten entstehen.

Vor diesem Hintergrund hat sich Heraeus auch entschlossen, zukünftig vermehrt als System-Lösungsanbieter auf dem Markt aufzutreten.

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.

Vom Material zum Materialsystem

Solche eigens entwickelten und getesteten Produkte sind beispielsweise auch rückstandsarme Lotpasten. Handelsübliche Lotpasten bestehen aus 20 bis 30 Volumenprozent organischen Bestandteilen (unter anderem Flussmittel). Die Flussmittelrückstände müssen nach dem Fertigungsprozess entfernt werden, das verursacht Kosten und benötigt Zeit. Heraeus entwickelte Lotpasten mit ca. drei Volumenprozent organischen Bestandteilen, um den Reinigungsprozess zu beschleunigen.

Ein anspruchsvolles Einsatzgebiet für Leistungselektronik ist nicht allein die Automobilindustrie. Spezielle Anforderungen haben auch Elektro-Loks, Industriemotoren und Windenergie-Anlagen. Und Heraeus weiß um diese besonderen Anforderungen: „Damit wir die Materialsysteme noch schneller und zielgerichteter entwickeln können“, betont Merget, „gibt es am Standort Hanau ein Applikations- und F&E-Zentrum für Elektronik und Leistungselektronik. Hier haben wir uns auf dem Gebiet der Aufbau- und Verbindungstechnik mit leistungsfähigen Einzelprodukten einen Namen gemacht. Nun kommen aufeinander abgestimmte Materialsysteme hinzu. Wir sind für den Anwender System-Lösungsanbieter.“

Standen bisher kundenseitig aufeinander abgestimmte Materialsysteme nicht so sehr im Mittelpunkt, bietet der Technologiekonzern Heraeus nun verstärkt sowohl vorqualifizierte als auch vorgefertigte Materialsysteme an, vorrangig für die Leistungselektronik. Merget: „Eines von vielen Beispielen ist hier die bewährte Silber-Sinterpaste, die unter Verwendung von speziell abgestimmten Substraten mit funktionaler Oberfläche langzeitstabile Verbindungen ermöglicht.“

Im Applikationszentrum entwickeln Mitarbeiter für den Bereich der Aufbau- und Verbindungstechnik nicht nur neue Materialien und Materialsysteme, sondern bauen auch Prototypen sowie Module und testen diese nach Kundenspezifikationen und Anwendungsanforderungen.

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