Metallische Verbindungstechnologien

Der Aufbau von Leistungsmodulen umfasst heute nicht nur das flächige Löten und Al-Dickdrahtbonden. Neue Aufbaukonzepte mit optimiertem thermischen Design wie die doppelseitige Kühlung sind genauso in der Entwicklung wie neue Verbindungstechnologien, von denen man sich eine höhere Lebensdauer erhofft.

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Neben einem bestmöglichen Systemdesign ist das Verständnis des Material-, mechanischen und thermo-mechanischen Verhaltens auf AVT-, Komponenten- und Modulebene von entscheidender Bedeutung, um die Systemzuverlässigkeit ganzheitlich abzusichern. Thermisch und thermo-mechanisch induzierte Fehlermechanismen können zum frühzeitigen Versagen der AVT führen und begrenzen somit die Lebensdauer.

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Bedingt durch ihren Einsatzzweck, -ort und ihre Leistung haben optoelektronische Komponenten sehr unterschiedliche Anforderungen. So müssen Laser und Empfangsdioden bei den heutigen Datenraten Single-Mode-tauglich sein und benötigen Positioniergenauigkeiten unter einem Mikrometer. Optische Messsysteme hingegen können in der Regel weniger präzise aufgebaut sein, sollen dafür unter möglichst breiten Umgebungsbedingungen stabil arbeiten.

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Der Umstand, dass im Packaging verschiedene Materialien mit unterschiedlichen thermischen, mechanischen und thermomechanischen Eigenschaften Verwendung finden, gibt dem Forschungsgebiet „Zuverlässigkeit“ eine besondere Bedeutung am Fraunhofer IZM. Die zuverlässige Funktion der resultierenden Systeme bei immer härter werdenden Umgebungsbedingungen (hohe Temperaturen, Vibration, hohe Stromdichten oder Spannungen) für eine vorgegebene Betriebszeit sicherzustellen, ist immer im Fokus der Forschungs- und Entwicklungsarbeiten, egal um welchen Anwendungsfall es sich handelt.

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Die wichtigsten Eigenschaften eines Leistungsmoduls für die Formel 1 sind eine höchstmögliche Leistungsdichte und ein geringes Gewicht. Volumen und Gewicht des vorgestellten Wandlers konnten im Vergleich zu früheren Versionen um ca. 50% reduziert werden. Dieser am Fraunhofer IZM gefertigte AC-DC-Wandler zur Energierückgewinnung verwendet eine direkte Substrat-Wasserkühlung, um Gewicht und Volumen zu minimieren und gleichzeitig einen geringen thermischen Widerstand durch einen kurzen thermischen Pfad zu gewährleisten.  

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Heatspreader (Wärmespreizer) werden in der Mikroelektronik verwendet, um Verlustwärme möglichst gut zu verteilen und so den thermischen Widerstand zu minimieren. Heatspreader müssen die Wärme auf einer größeren Fläche verteilen (spreizen), daher eignen sich Materialen mit einer guten Wärmeleitfähigkeit besonders gut, z.B. Kupfer, Aluminium, Silizium oder (künstlicher) Diamant.

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Die wichtigsten Eigenschaften eines Leistungsmoduls für die Formel 1 sind eine höchstmögliche Leistungsdichte und ein geringes Gewicht. Volumen und Gewicht des vorgestellten Wandlers konnten im Vergleich zu früheren Versionen um ca. 50% reduziert werden. Dieser am Fraunhofer IZM gefertigte AC-DC-Wandler zur Energierückgewinnung verwendet eine direkte Substrat-Wasserkühlung, um Gewicht und Volumen zu minimieren und gleichzeitig einen geringen thermischen Widerstand durch einen kurzen thermischen Pfad zu gewährleisten.  

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Durch beschleunigende Testverfahren ist eine Simulation der thermischen, klimatischen und mechanischen Feldbelastungen möglich, um in Kombination mit FEM-Berechnungen eine Lebensdauervorhersage ableiten zu können. Die anschließenden Fehleranalysen ermöglichen eine Optimierung von Materialauswahl und/oder Technologie.

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Ein optimiertes Wärmemanagement ist insbesondere in der Leistungselektronik von zentraler Bedeutung. Die Verbesserung der thermischen Anbindung zwischen Package/Modul und Kühlerstruktur kann die Lebensdauer des Gesamtsystems um ein Vielfaches erhöhen.

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Die Schadensanalysen zur SMD-Technik beinhalten Analysen im Zusammenhang mit eingeschränkter Lötbarkeit von Leiterplatten, Frühausfällen von Durchkontaktierungen und Mikrovias sowie Untersuchungen an betriebsbedingten Lötstellen-Ausfällen.

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Für hohe Anforderungen an Verbindungsschichten in der Mikroelektronik kommen insbesondere gesinterte Verbindungsschichten zum Einsatz. Seit vielen Jahren haben sich Silbersinterschichten etabliert und sind in zahlreichen industriellen Anwendungen. Im Bereich der Forschung und Entwicklung wird nun seit einiger Zeit auch an Kupfersinterschichten gearbeitet und es gibt Kupfersinterpasten, welche für den Einsatz in der Produktion geeignet sind.

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Löten ist ein mehrere tausend Jahre altes Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen. Insbesondere beim Verbinden elektronischer Komponenten findet Lot als universelles Standardmaterial eine breite Verwendung. Das Verfahren kommt auf allen Integrationsebenen zum Einsatz, das heißt sowohl zum Verbinden von Chips (1st level) als auch auf der Baugruppenebene (2nd level).

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Die Anforderungen an elektronische und mechatronische Systeme steigen stetig. So sollen derartige Systeme auch bei Betriebstemperaturen bis zu 300°C zuverlässig arbeiten. Um dies zu gewährleisten, findet das Silber-Sintern als alternative Verbindungstechnologie zu herkömmlichen Lötprozessen in der Leistungselektronik immer häufiger Anwendung.

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Das IZM hat von Anfang an die Entwicklung der LED als Leuchtmittel verfolgt. Sowohl hochpreisige Module mit dem Ziel maximaler Leuchtdichte, als auch LEDs für spezielle Umgebungsbedingungen wurden hierbei betrachtet, aber auch Wege zum kosteneffizienten und trotzdem ausreichend zuverlässigen Modul.

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Das Drahtbonden (engl. Wire Bonding) stellt ein Standardverfahren zur elektrischen Kontaktierung in der Aufbau- und Verbindungstechnik dar, das in der Halbleitermontage vielfach eingesetzt wird. Anwendungen liegen beispielsweise in der Chip-onBoard-Technik, Leistungsmodul-Technologie, Hochfrequenztechnik oder in der Montage von Mikrosystemen. Bei diesem Verfahren wird die elektrische Verbindung in der Regel über Drähte aus Aluminium, Gold, Kupfer oder Silber hergestellt, die mit unterschiedlichen Techniken durch die zeitlich begrenzte Einwirkung von Druck, Temperatur und/oder Ultraschall im festen Zustand miteinander verbunden werden.

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Das Thermokompressionbonden ist ein Kontaktierungsprozess, bei dem durch Druck und Temperatur eine stoffschlüssige Verbindung zwischen Bump und Pad-Metallisierung erzeugt wird. Zum Einsatz kommt dieses Verfahren in der Flip-Chip-Montage, wobei Bump und Substrat in der Regel aus Gold bzw. einer Goldlegierung bestehen.

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Die neu entwickelte Halbleitergeneration auf Galliumnitrid- und Siliziumkarbid-Basis bietet auf Systemebene angesichts ihrer geringen Schaltverluste die Möglichkeit, die Schaltfrequenzen von leistungselektronischen Systemen signifikant zu erhöhen. Dadurch kann die Baugröße der passiven Energiespeicher, vor allem der induktiven Bauteile, reduziert werden, weil nicht mehr so viel Energie zwischengespeichert werden muss. Der Fokus im ECPE-Lighthouse-Projekt "Industrial Demonstrator on System Level" lag in einer zusätzlichen Erhöhung der Leistungsdichte durch Innovationen in der Filtertopologie, der Steuerung der Halbleiter und der Pareto-Front-Optimierung des Gesamtsystems.

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Einer der weltweit führenden Automobilzulieferer, Marelli, hat das erste Leistungsmodul für elektrische und hybride Traktionsanwendungen im Motorsport auf den Markt gebracht. Das neue Modul wurde zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM entwickelt. Das vollständig auf Silizium-Carbid basierende Modul ermöglicht höhere Umwandlungswirkungsgrade, ist kleiner und leichter – ein Erfolg nicht nur für den Motorsport, sondern auch für Fahrzeuge im Allgemeinen.

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Im Projekt SiC-Effizient ist ein Aufbau realisiert, mit dem die SiC-MOSFETs an ihren elektrischen Grenzen betrieben werden. Dieses wird zum einen durch ein optimiertes thermisches Interface realisiert. Hierbei werden die Halbleiter direkt auf dem Kühlkörper über eine Silbersinterverbindung angebunden. Zum anderen wird zur Reduzierung der Schaltverluste besonderer Wert auf die niederinduktive Anbindung des Zwischenkreiskondensators gelegt. Durch eine Kommutierungszelleninduktivität von < 2.4nH bei zwei parallelen Halbleitern und besonders leistungsfähiger Treiberendstufe wird schnelles Schalten mit Spannungssteilheiten von bis zu 60kV/µs ermöglicht.

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• Lσ power module < 1.7 nH
• PCB Embedding: Smart p² Pack® Technology by SE AG
• Power range up 231 kVA (for a 6 phase inverter)
• Highest on-board function integration: Damped DC-Link, gate power supply, gate driver, 2 temperature sensors (one per switch), embedded current sensor, fast analogue short-circuit detection, signal insulation and digitalization

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Bei der Entwicklung marktfähiger, leistungselektronischer Systeme muss eine Vielzahl teils widersprüchlicher Anforderungen erfüllt werden. Hoher Wirkungsgrad, Robustheit, Zuverlässigkeit, niedrige Kosten, hohe Lebensdauer, hohe Leistungsdichte und eine gute elektromagnetische Verträglichkeit (EMV) müssen für die jeweilige Anwendung bewertet und gegeneinander abgeschätzt werden.

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Im Vorhaben ISLE wird die Technologie für ein neuartiges Autofrontscheinwerferkonzept entwickelt, welches neben der Funktion als Scheinwerfer zusätzlich die Kommunikation zwischen den Fahrzeugen untereinander und der Infrastruktur ermöglichen soll.

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VORTEIL (Vertikale Oberflächenemitter für Robuste Temperaturstabile Effiziente Integrierte Lasersystems) ist ein vom BmBF gefördertes Forschungsvorhaben zur Entwicklung von Hochleistungslasern basierend auf VCSELn (Vertical Cavity Surface Emitting Laser). Solche Laser können beispielsweise zur umweltschonenden Reinigung von Fassaden und Bauwerken oder auch als Zündkerzen für großvolumige Verbrennungsmotoren verwendet werden.

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Entwicklung eines Low-Cost Wafer-Level Prozesses für den Aufbau von High-Brightness Flip-Chip LEDs. Ziel war es einen zuverlässigen flussmittelfreien Prozess zum Aufbau von High Power LEDs im roten und infraroten Spektralbereich zu entwickeln, der kostengünstig sein musste. Hierzu bietet sich das genaue Placen der GaAlAs-Chips auf einem Siliziumträger mit anschließendem Reflowlöten der vollständig bestückte Wafer mit bis zu 2500 LEDs an. Das Sägen und Vereinzeln der Module finden nach dem Aufbau statt.

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Mit der Steigerung der Leuchtstärke auf 60 bis 120 Lumen (weiß) haben High Brightness LEDs neue Anwendungen erschlossen und verdrängen konventionelle Leuchtquellen vom angestammten Platz. Derzeitig wichtige Segmente sind die dekorative Beleuchtung, Lichtsignalanlagen, Hintergrundbeleuchtung für Tastaturen und Bildschirme (Handy), Blitzlicht für Kameras, Video-Großleinwände und Werbetafeln, automobile Rückleuchten und Blinker.

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In der Entwicklung von Systemintegrationstechnologien ist
es nötig, diese in Bezug auf eine spezifische Anwendungs-
umgebung hin auszulegen und das entwickelte Ergebnis
diesbezüglich zu prüfen.

Klassische Qualifikationsstandards reichen hier oftmals nicht
mehr aus, da sie häufig nur zwischen Bestanden und Nicht-
Bestanden unterscheiden und keine Informationen über
die Grenzen der Belastbarkeit liefern. Somit fehlen wichtige
Informationen zu kritischen Fehlermechanismen und der
Robustheit für die Produkt- und Prozessentwicklung.
Das Fraunhofer IZM unterstützt seine Partner an dieser
Stelle, um die Lebensdauer der zu entwickelnden Prozesse
und Komponenten bewertbar zu machen und Schlussfolge-
rungen für die Produkt- und Prozessentwicklung abzuleiten.

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Draht- und Bändchenbonder

• F&K Delvotec G5
• Kulicke & Soffa
• Hesse

Testing

• Pull- and sheartester Dage
• Ultrasonic Welding

Die Bonder

Life-Time-Testing

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