GroTherm: Erforschung und Entwicklung einer großflächig gesinterten Thermofluss-Verbindung von elektrischen Leistungsbaugruppen im Fügebereich der keramischen Leiterplatte und der Bodenplatte

Projektleitung und beteiligte FH-Angehörige: Prof. Dr. Ronald Eisele, State-certified Engineer Armin Hindel
Beteiligte Institutionen & Unternehmen: Budatec GmbH, Berlin; Nano-Join GmbH, Berlin; Berliner Nanotest und Design GmbH, Berlin; Fraunhofer-Institut für Elektronische Nanosysteme ENAS, Chemnitz; Forschungs- und Entwicklungszentrum Fachhochschule Kiel GmbH, Kiel
Assoziierter Partner: Danfoss Silicon Power GmbH, Flensburg
Fördermittelgeber: BMBF im Rahmen der Förderbekanntmachung Informations- und Kommunikationstechnologien (IKT) 2020 - Forschung für Innovationen (Fachprogramm)
Laufzeit: 01.09.2017 bis 31.08.2020

Die Geschwindigkeit von Elektrofahrzeugen wird last- und drehmomentabhängig gesteuert. Das Elektroniksystem, das diese Anforderung erfüllt, besteht im Wesentlichen aus einer Transistorbaugruppe, dem sog. Leistungsmodul. Dieses Leistungsmodul muss je nach elektrischer Last einige bis viele Kilowatt Nutzleistung fein dosiert über die E-Maschine steuern. Dies ist mit unvermeidlichen thermischen Verlusten in den Halbleitern verbunden, die bestmöglich abgeführt werden müssen, um die sonst unvermeidlichen Überlastschäden und eine Zerstörung der Baugruppe zu verhindern. Passive und aktive Temperaturzyklen ermüden die Aufbau- und Verbindungstechnik dieser Leistungsmodule. Leistungshalbleiter, Substrate, Bonddrähte und die Substratlötung zwischen Substrat und Bodenplatte verlieren noch innerhalb der Gebrauchsdauer ihre erwarteten Eigenschaften.

 Üblicherweise besteht die Baugruppe aus einer Keramikkern-Leiterplatte (DCB), die auf der Leiterbahnseite die Steuerhalbleiter trägt und auf der dazu abgewandten Rückseite die Verlustleistung an Kühlstrukturen weiterreicht. Der Wärmefluss wäre optimal, wenn eine sehr gut wärmeleitende und stoffschlüssige Verbindung zwischen der Keramikkernleiterplatte und dem Kühlkörper bzw. der Wärmespreizplatte (auch Bodenplatte genannt) eingesetzt werden könnte. Stand der Technik ist es, die Verlustleistungen der Leistungshalbleiter über eine großflächige Lötung der Keramikleiterplatte an die Wärmespreizplatte zu übertragen. Allerdings sind großflächige Weichlötungen in der Produktion anfällig für Lunker, Verkippung / Verdrehung sowie Benetzungsprobleme und im Einsatz empfindlich gegenüber Rissbildung durch Scherstress und Kriechverhalten.

Diese Abbildung zeigt einen Querschliff einer gelöteten DCB auf eine Bodenplatte, ein sogenannte Substratlötung. Deutlich ist die Rissbildung in der Lotverbindungsschicht zu erkennen. Das Versagen der Lötungen bei höheren Temperaturen (>125°C) (Versprödung, Ermüdung Rissbildung) zwischen keramischer Leiterplatte und Bodenplatte ist eine typische Ausfallerscheinigung.

Die Nachteile der großflächigen Weichlot-Verbindungschicht (Substratlötung) sollen im Projekt durch einen großflächigen Sinterfügeprozess beseitigt werden. Für die Erhöhung der Zuverlässigkeit und für eine längere Lebensdauer kann ein Aufbau in Silbersintertechnik als Ersatz für die Löttechnik dienen.

Durch höhere Stromdichten werden die Maximaltemperaturen in elektronischen Baugruppen stetig steigen. Hier stoßen aktuelle Lotverbindungen aus thermischer und thermo-mechanischer Sicht an ihre Grenzen. Im Fokus des Projektes GroTherm stehen die Erforschung und die Entwicklung einer Fügeverbindung zwischen einer keramischen Leiterplatte und einer Bodenplatte in Silbersintertechnik. Dabei wird das technologische Ziel einer großflächig gesinterten Thermofluss-Verbindung verfolgt. Diese sorgt bei höheren Stromdichten für thermische und thermo-mechanische Entlastung im gesamten Aufbausystem der Leistungsbaugruppe, welches robustere und lebensverlängernde Eigenschaften zur Folge hat.

 

Damit setzt dieses Forschungsprojekt auf den Stand der Technik auf, also das Sintern von Halbleitern auf einer keramischen Leiterplatte. Die Erweiterung dieser Technologie liegt im Aufbau der Leistungselektronik eine Verbindungsebene tiefer, genauer gesagt in der Fügeverbindung zwischen DCB und Bodenplatte.