Der Ausbau der erneuerbaren Energien und die zunehmende Elektrifizierung von KFZ-Antrieben hat in den letzten Jahren zu einer stark ansteigenden Nachfrage nach leistungselektronischen Komponenten mit verbesserter Zuverlässigkeit und höherer Leistungsdichte geführt. Schwachstellen herkömmlicher Leistungsmodule hinsichtlich Temperaturstabilität und Zuverlässigkeit sind vor allem die Chip-nahen Anschlusstechnologien: die Anbindung der Chips an die Schaltungsträger über Weichlotverbindungen einerseits und die oberseitige Kontaktierung der Bauelemente mittels Aluminium-Drähtchen – sogenannter Bonddrähte – andererseits. Im Betrieb kommt es durch die hohen Ströme zu einer zyklischen Erwärmung der Baugruppen; aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiter-Chips einerseits sowie der Schaltungsträger und Anschlussmaterialien andererseits ermüden die Anschlusskontaktierungen, was im Resultat zum Ausfall der gesamten Baugruppe führt.
Zur Erhöhung der Lebensdauer wurden in der jüngeren Vergangenheit neue Technologien zur Chip-Befestigung und -Kontaktierung entwickelt: Für die Chip-Substrat-Verbindung kommt dabei das sogenannte "Silber-Sintern" zum Einsatz, bei der die Halbleiter-Chips im Resultat durch eine feste und temperaturstabile Silberschicht mit dem Schaltungsträger verbunden werden. Für den oberseitigen Anschluss rücken statt der konventionell verwendeten Aluminium-Bonddrähte zunehmend Legierungen oder Metalle mit höherer Festigkeit in den Fokus.
Die Arbeitsgruppe "Technologieentwicklung Leistungselektronik" wurde 2018 innerhalb des Themenfeldes "Energiewende und Transformationsgestaltung" an der HSHL gegründet und beschäftigt sich mit der Entwicklung, Bewertung und Optimierung neuer Verbindungstechnologien für Leistungsmodule. Schwerpunkte liegen dabei auf der Weiterentwicklung des Silber-Sinterns sowie auf Lebensdaueranalysen neuer Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) für Leistungsmodule.
Lot-freies Leistungsmodul für erhöhte Zuverlässigkeit – gefertigt im Chip-On-Board-Labor der HSHL
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Tätigkeitsfelder
- Technologieentwicklung Sinterprozesse
- Entwicklung von Bondtechnologien und -metallisierungen für erhöhte Zuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme
- Lebensdauertest und -modellierung von Leistungsmodulen
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Labore und Ausstattung
- Technologie
Prozesskette Sintern (Drucken, Trocknen, Bestücken, Sintern)
Drahtbonden (Dick- und Dünndraht)
Scher- und Pulltest (beheizbar bis 450°C)
Optische Mikroskopie - Test
Messstand für aktive Lastwechseltests (Power-Cycling) - Analytik
Schliffpräparation inkl. Sputtern & Ionenpolitur
Ultraschallmikroskopie
REM, FEREM inkl. EDX
Korrelative Mikroskopie REM/LiMi (Zeiss)
Lichtmikroskopie mit Heiz-/Kühltisch; -80°C bis 600°C
Weißlichtprofilometrie
3D-CT
Kontaktwinkelmessung (SFT)
TGA, DSC
IR-Spektroskopie
Härte- und Zugprüfung (bei Bedarf T-abhängig)
- Technologie
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Laufende Projekte
Projekt: "Transform: Trusted European SiC Value Chain for a greener Economy"
Aufbau einer vollständigen und wettbewerbsfähigen europäischen Lieferkette für Leistungselektronik auf Basis von Siliziumkarbid (SiC)-Leistungshalbleitern (https://sic-transform.eu/en)- Finanzierung: EU (KDT JU) & BMBF
- Konsortium: 34 Partner, Konsortialführer: Robert Bosch GmbH
- Thema Teilvorhaben HSHL: Interconnection technologies for cost efficient manufacturing of new power module designs
- Laufzeit: 2021 – 2024
- Umfang: ca. 89,1 mio € (Gesamtprojekt) / ca. 313 t€ (Teilvorhaben HSHL)
Projekt: "PowerTech"
Grundlagenstudien zur Optimierung von AVT-Technologien für Leistungsmodule mit erhöhten Zuverlässigkeitsanforderungen- Finanzierung: wirtschaftliches Drittmittelprojekt
- Laufzeit: 2020 – 2023
- Umfang: ca. 170 t€
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Dienstleistungen
- Optimierung der Sintertechnologie
Grundlagenuntersuchungen zur Verbindungsbildung
Entwicklung & Bewertung von Mess- und Prüfmethoden für Einzelprozesse
Prozessstudien bezüglich Anforderungen vs. Prozessergebnis
Konzeptstudien
Musterbaubetrieb für gesinterte Leistungsmodule - Qualifikation von Metallisierungssystemen für Sinter- und Drahtbondanschluss
Phasenanalysen
Mechanische Bewertung
Interface- und Grenzflächenanalysen
Bewertung Eignung Materialkombination BEOL-Technologie vs. AVT - Aktive Lastwechseluntersuchungen
Power-Cycling Test
Fehleranalyse
Thermomechanische Simulation
Lebensdauermodellierung
- Optimierung der Sintertechnologie
