InForm-Technologie von Indium Innovatives Lotmaterial für zuverlässige Verbindungen

Aufbau der InForm mit inkludiertem Metallgitter

Die Anforderungen im Bereich der Leistungselektronik und im Besonderen an sogenannte IGBT-Power-Module ändern sich dramatisch.

Dass die Anforderungen in der Leistungselektronik wachsen, liegt maßgeblich an den veränderten Rahmenbedingungen, unter denen die IGBT-Module funktionieren müssen. So ergaben sich zum Beispiel durch die Automotive-Anforderungen an Leistungsdichte, Form- und Gewichtsfaktor und die auftretenden Umweltbedingungen komplett veränderte Anforderungsprofile. Betrachtet man den Markt der Leistungselektronik für Fahrzeuganwendungen genauer, so fallen besonders zwei Merkmale ins Auge: ein extrem schnelles Wachstum mit sehr kurzer Time to Market und ein starker Kosten- und Effizienzdruck auf jedem einzelnen Modul.

Der prognostizierte schnelle Zuwachs auf dem Automotive-Markt ist heute bereits deutlich zu sehen, besonders im Bereich der sogenannten Mikro- oder Mildhybrid-Fahrzeuge. Aktuelle Prognosen zeigen außerdem einen starken Anstieg der HEVs (Hybrid Electric Vehicle), bei denen typischerweise IGBT-basierte Hochvoltsysteme verbaut werden. Um die Zuverlässigkeit dieser Module zu gewährleisten, findet man hier typischerweise hochwertige Materialien, wie Aluminiumnitrid (AlN) auf der Substrat-Seite und Aluminium-SiC (AlSiC) auf der Basisplatten-Seite. Diese Materialpaarung wird eingesetzt, um den Cte-Missmatch (Missverhältnis der thermischen Ausdehnungsfaktoren) zu minimieren und somit thermomechanischen Stress an der Lötverbindung dieser beiden Komponenten zu reduzieren.

Umfangreiche Studien im Bereich Baseplate-Verbindungen von IGBT-Modulen zeigen, dass die Verbindung bei einer homogenen Stärke der Lotschicht zur optimalen Verteilung des thermomechanischen Stresses deutlich zuverlässiger ist. Die Studie von Mitsubishi Electric Corporation „Improvement of Fatigue Life of Solder Joints by Thickness Control of Solder with Wire Bump Technique“ zeigt, wie unabdingbar es für die Herstellung von IGBT-Modulen ist, homogene Lotschichten mit Stärken von mindestens 200 µm zu erzielen, denn in der Architektur dieser Module müssen großflächige Lotverbindungen zwischen der Keramiksubstraten (AIN) und den Basis-Kühlplatten (AlSiC) hergestellt werden. Inhomogene Lotschichtstärken führen besonders unter Thermo-Wechselbelastungen zu Frühausfällen der Module.

Eine punktuelle Thermostress-Konzentration ist die Ursache dafür, dass Ermüdungsrisse der Lotverbindung in Interface-AIN-Substrat zu AlSiG-Baseplate frühzeitig entstehen. Um die Homogenität der Lotschicht-Stärke zu gewährleisten, wurden in vorangegangenen Untersuchungen Zusatzprozesse wie das Wirebonding auf der Substrat-Rückseite benutzt. Mit der neuen Material-Technologie „InForm“ von Indium Corporation lassen sich nun homogene Lotschichtstärken ohne Zusatzprozesse im Standard-Fertigungsablauf herstellen. Der Verbund eines geflochtenen Metallgitters in ein Lot-Preform garantiert zusätzlich eine vollflächige Kontrolle der finalen Lotschicht-Stärke.