Optimierung des Verarbeitungsprozesses von Lot und Silbersinterpasten zum Verbinden und Fügen von Hochleistungsbauelementen

Partnerfirma: Heraeus Electronics

GaN-basierte oder SiC-basierte Hochleistungselektronik ist insbesondere auch für die Elektromobilität von extremer Wichtigkeit. Bei solchen Hochstromanwendungen wie im Elektroautomobil müssen die aufgrund des elektrischen Widerstandes des Bauelements produzierten Joule‘schen Wärmemengen gezielt abgeführt werden, um die spezifizierten Operationsparameter einzuhalten, die Lebensdauer des Bauelements zu erhöhen und insbesondere eine Zerstörung des Bauelements im Betrieb zu vermeiden.

Sowohl Dünnschichtbauelemente auf Chips oder auch Volumenmaterial-Bauelemente werden als Teile der elektrischen Schaltkreise auf Platinen aufgebracht. Entscheidend für eine gute Wärmeableitung ist die Verbindungstechnik. Eingesetzt werden hierzu Löt- und Sintertechniken.

Sowohl die Lote als auch die Sinterpasten (basierend Silber oder Kupfer) sind komplexe Kompositwerkstoffe, deren Funktion nicht nur durch die Zusammensetzung des Kompositmaterials bestimmt ist, sondern auch durch den Verbindungsprozess selbst stark beeinflusst wird.

Die Struktur des Gefüges der entstehenden Verbindung zwischen Bauelement und Platine auf der Mikro- (chemische Zusammensetzungsverteilung) und Mesoskala (Kornbildung, Segregation, Mikrorisse, Lunkerbildung etc.) bestimmt entscheidend die Qualität der Verbindung.

Eines der Geschäftsfelder der Firma Heraeus ist die Herstellung von Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik, wie beispielsweise Silbersinter- und Diffusionslotpasten, Bonddrähte und Metall-Keramik-Substrate.

Bei den erhöhten Betriebstemperaturen der GaN/SiC-Bauelemente kommen herkömmliche Werkstoffe der Aufbau- und Verbindungstechnik, wie beispielsweise Weichlote, an die Grenzen der geforderten Zuverlässigkeit. Deshalb sollen innerhalb dieses Teilprojektes des Innovationslabors Kombinationen der von der Firma Heraeus zur Verfügung gestellten hochzuverlässigen Si3N4 AMB Substrate (Active Metal Brazing) mit Sinter- und Diffusionslotpasten sowie Bonddrähten untersucht und optimiert werden.

Damit dies systematisch umgesetzt werden kann, ist eine begleitende Charakterisierung sowohl der Bauelementeigenschaften im Betrieb (Kennlinien-Vermessung korreliert mit Wärmebildkameraaufnahmen) als auch der strukturellen Eigenschaften der Gefüge unerlässlich (abbildende optisch spektroskopische Verfahren, Elektronenmikroskopie, XPS, SIMS etc.).

Informationen über das Piloprojekt: mail to Sebastian L. Benz; mail to Carsten Voget-Grote