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InForm-Technologie von Indium

Innovatives Lotmaterial für zuverlässige Verbindungen

6. Dezember 2018, 12:00 Uhr | Von Andreas Karch, regionaler Technischer Manager bei Indium Corporation

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Untersuchungen und Nachweis der Wirksamkeit

Wie wirksam sich eine homogene, planare Verbindung herstellen lässt, zeigen folgende vergleichende Untersuchungen. Um einen Eins-zu-Eins-Vergleich zur bestehenden Serien-Prozessen zu ermöglichen, wurde dabei als Test-Vehikel ein reales IGBT-Modul der Traktionselektronik verwendet. Als Material des Substrates nutzten die Experten AlN, als Material der Baseplate AlSiC. Die Fläche der Lötverbindung war 2793 mm3 und als Lotlegierung wurde die Indalloy #133 (95,0 % Sn/5,0 % Sb) verwendet. Zur Herstellung der homogenen Lotschicht-Stärke wurden drei verschiedene Methoden untersucht:

Verwendung von Löt-Preform: Sn/5Sb Solder Preform only (reference)
Verwendung des inkludierten Metallgitters „InForm“: Sn/5Sb Preform engineered with braided metal mesh
Wirebonds als Abstandshalter (aktuelles Verfahren): Wirebond Stitch & Trim + Reference Sn/5Sb Solder Preform

Der Prozessablauf zur Herstellung der Lotverbindungen ist in der Tabelle beschrieben und zeigt deutlich, dass nach der herkömmlichen Methode zur Gewährleistung der Lotschicht-Stärke zusätzliche Prozessschritte notwendig sind. Als Referenz wurden Lot-Preforms verwendet und somit gänzlich auf eine Kontrolle der Lotschicht-Stärke verzichtet.

Um die Homogenität der Lotschichten nach dem Lötprozess zu bewerten, haben die Experten Koplanaritäts-Messungen mittels eines Oberflächen-Laserscanners durchgeführt. Dabei wurde die beste Koplanarität über das gesamte Substrat mit dem Verbundmaterial InForm erreicht. Die homogene Lotschicht-Stärke bestätigte sich mit der Schliffbildanalyse. Weiterhin wurde bei allen drei Lötungen mit der Legierung Indalloy #133 eine sehr gute Benetzung und ein geringes Voiding von unter 4 % festgestellt.

Nachdem das Erreichen von homogenen Lotschicht-Stärken durch die Verwendung des InForm-Lotmaterials nachgewiesen war, wurde im Anschluss der Einfluss auf die Zuverlässigkeit der Lötverbindung unter thermomechanischem Stress untersucht. Erwartet wurde eine deutliche Steigerung der Thermozyklen-Beständigkeit im Air-to-Air-Test. Die verwendeten Testkonditionen sind (TC –50 °C/+150 °C).

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Die Thermozyklen-Ergebnisse ergaben:

Preform: Fehler nach 600 Zyklen
Preform + Wirebond Prozess: Fehler nach 800 Zyklen
InForm besteht ohne Fehler 1000 Zyklen

Ebenfalls analysiert wurden die plastische Dehnung und die Kriechantwort für beide Lötverbindungstypen. Die Ergebnisse zeigen, dass die eingebettete Gitterlötstelle eine höhere plastische Dehnung, aber eine signifikant geringere Kriechdehnung aufweist. Die höhere plastische Dehnung mit dem Netz verhinderte aufgrund der tatsächlichen SAM-Ergebnisse die Bildung von Rissen oder vorzeitigem Versagen. Kriechinduzierte Versagensmechanismen lassen sich durch das Gitter stark reduzieren.