Zuverlässige Lötverbindungen für die Leistungselektronik in regenerativen Energiesystemen
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen dieses Projektes wurde ein Lötverfahren zum Fügen von leistungselektronischen Bauelementen durch die experimentellen Untersuchungen erarbeitet. Mittels Nanoindentation und Scherdruckversuch wurden mechanische Eigenschaften der einzelnen Fügepartner bzw. der gesamten Lötverbindungen bestimmt. Zur Untersuchung der Materialschädigung in den Modulen wurden aktive Lastwechseltests durchgeführt. Des Weiteren wurde der Schädigungsfortschritt in den Verbindungsschichten mittels Ultraschall-, Rasterelektronenmikroskopie und metallografischen Schliffen untersucht, um Kenntnisse über die Alterungsmechanismen und deren Progression zu gewinnen. Darüber hinaus wurde erstmals ein physiknahes Modell mit lastwechselinduziertem Alterungsmechanismus, ausgehend von einer Lotschädigung unter dem Chipzentrum, entwickelt. Eine derartige Alterung ist bei kurzen Einschaltzeiten und hoher Leistungsdichte zu beobachten. Die bisherigen Beschreibungen auf empirischer Basis, etwa die CIPS-Gleichung, liefern in diesem Fall keine verwendbaren Vorhersagen. In dem im Projekt entwickelten Modell werden im Vergleich zu den empirischen Modellen auftretende, physikalische Effekte berücksichtigt, sodass eine Prognose der Lebensdauer sowie des Verlaufs des thermischen Widerstands möglich ist. Modellansatz A beschreibt Risswachstum durch eine fortlaufend aktualisierte Geometrie, Modellansatz B beschreibt die Lotschädigung durch ein Wärmeleitfähigkeitsfeld. Die Ergebnisse der Simulation und der Lastwechseltests zeigen eine gute Übereinstimmung. Ein weiterer Ansatz zur Steigerung der Verbindungsfestigkeiten bei gleichzeitig minimaler thermischer Belastung der Grundwerkstoffe wurde mit nanoskaligen pulverförmigen Lotwerkstoffen verfolgt, wobei das Absinken der Schmelztemperatur eines Werkstoffs mit sinkendem Partikelradius (steigende Oberflächenenergie) ausgenutzt wurde. Auf diese Weise können im Normalfall hochschmelzende Ag-Basislote mit hohen Verbindungsfestigkeiten bereits durch Weichlöten verarbeitet werden. Die Verarbeitung von Lotwerkstoffen erfolgt mittels Drucktechnologien. Insbesondere erfolgt dabei eine Identifikation und Beschreibung der Zusammenhänge zwischen Lötprozessparametern und den sich daraus ergebenden Lötnahtausprägungen und Lötverbindungseigenschaften. Die neuen Lötverbindungen sollen auf ihre Lastwechselfestigkeit im Einsatz untersucht werden. In weiteren Arbeiten soll das Modell mit weiteren Alterungsmechanismen vervollständigt werden.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- Approach of a physically based lifetime model for solder layers in power modules. 24th European Symposium on Reliability of Electron Devices, Failure Physics and Analysis, 30.9.-4.10.2013, Arcachon (FR). Microelectronics Reliability 53, 2013, S. 1199–1202
P. Steinhorst, T. Poller, J. Lutz
- Löten von leistungselektronischen Bauelementen. Schriftenreihe: Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen 50, 2013, S. 178-187, ISBN 978-3-00-043129-6
B. Wielage, S. Weis, V. Fedorov, J. Lutz, P. Steinhorst, T. Poller
- Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen von Leistungsmodulen als Basis für die Lebensdauerabschätzung mittels FEM. DVS-Band 301, 2014, S. 99-103
J. Lutz, P. Steinhorst, T. Poller, B. Wielage, T. Lampke, S. Weis, D. Nickel, A. Yulinova, V. Fedorov
- Porenausbildung in großflächigen Weichlötverbindungen am Beispiel von Leistungsmodulen, Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen 52, 2014, S. 187-191, ISBN 978-3-00-046877-3
B. Wielage, S. Weis, V. Fedorov, J. Lutz, L. Tinschert
- Work on a simulation-based model for lifetime estimation in power cycling tests. In V. Benda, J. Lutz, M. Molhanec (Hrsg.) 12th International Seminar on Power Semiconductors ISPS, 27.-29. August, Prague, Ceske centrum IET, 2014, pp. 151-157
P. Steinhorst, V. Fedorov, J. Lutz, S. Weis, B. Wielage
- Methods for virtual junction temperature measurement respecting internal semiconductor processes. Proceedings of the 27th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's, Kowloon Shangri-La, Hong Kong, May 10-14, 2015
C. Herold, J. Franke, R. Bhojani, A. Schleicher, J. Lutz
(Siehe online unter https://doi.org/10.1109/ISPSD.2015.7123455)
