AVT und Zuverlässigkeit

Aufbau- und Verbindungstechnik

Das Forschungsfeld der „Aufbau- und Verbindungstechnik“ (AVT) konzentriert sich auf leistungselektronische Bauelemente. Unter Berücksichtigung der spezifischen Einsatzgebiete steht dabei die Optimierung von Performance, Volumen und Gewicht an erster Stelle. Hierfür werden verschiedene Konzepte für das elektrische, mechanische und thermische Design – etwa zweiseitige Chipkontaktierungen, ein- und zweiseitige Kühlung oder auch Materialien mit minimiertem bzw. angepasstem Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) – untersucht. Durch zielgerichtete Modulaufbautechniken und anwendungsgerechte thermische bzw. elektrische Verbindungen können erhebliche Kosteneinsparungen realisiert werden.

In der AVT werden auch Fügetechniken weiterentwickelt. Das Fraunhofer IISB verfügt über großes Know-how im Bereich Silber-Sintern als eine Alternative zu herkömmlichen Verfahren. Mittlerweile ist die Herstellung von Multichip-Power-Modulen mit hohen Ausbeuten möglich. Vor allem der Einsatz des selektiven Sinterprozesses bietet erhebliche Vorteile, insbesondere auf Leiterplatten. Neben der Sintertechnik ist die Löttechnik nach wie vor Gegenstand der Forschung dank neuer Hochleistungs- und Hochtemperaturwerkstoffe.  

 

AVT

Unsere Aktivitäten umfassen konzeptionelle Untersuchungen wie thermisches Management sowie die Optimierung elektrischer parasitärer Elemente bis hin zu Technologie- und Prozessentwicklungsprojekten zu Metall-Sintern, Löten, Drahtbonden, subtraktive und additive Fertigung sowie Beschichtungsverfahren. Wir bieten ein breites Angebot von Studien bis zum Aufbau von Prototypen und Validierungstests

 

Korrosion &
Korrosionsschutz

Im Hinblick auf steigende Anforderungen für leistungselektronische Module, die unter immer anspruchsvolleren Bedingungen eingesetzt werden, ist Korrosionsschutz von elementarer Bedeutung. So liegt unser Fokus vor allem auf Schadgastests, Fehleranalysen und Forschung zum Korrosionsschutz.

 

Multiphysik-Simulation

Modellierung und Simulation in der Leistungselektronik erlauben zuverlässige Vorhersagen in Bezug auf elektrisches, thermisches und mechanisches Verhalten von Bauteilen, Modulen und Systemen. Unser Spektrum umfasst die materialbasierte Simulation von Lebensdauer, die Extraktion von parasitären Elementen aus elektronischen Aufbauten, Schaltungs-Simulation, elektrische und elektromagnetische Simulation sowie die Kombination aus allem.

Test & Zuverlässigkeit

Die Arbeiten auf dem Gebiet „Zuverlässigkeit“ umfassen die Charakterisierung der Lebensdauer und der Zuverlässigkeit von Leistungselektronik. Teil der Untersuchungen sind unterschiedlichste Testverfahren wie aktive Temperaturwechsel (Power Cycling), passive Temperaturwechsel, Auslagerung bei Feuchte und Schadgas sowie viele weitere. Hierfür steht eine große Bandbreite an Mess- und Analysewerkzeugen zur Verfügung. Methoden zur Überprüfung des thermischen Widerstands von Leistungselektronik, Ultraschall- und Rasterelektronenmikroskopie, statische und Lock-in-Thermografie sowie Focused-Ion-Beam-Verfahren (FIB) bilden nur einen Teil des Messgerätespektrums. Ziel ist es, aktuelle Technologien weiterzuentwickeln, aber auch neue Lebensdauer-Modelle zu entwerfen bzw. bereits bestehende Modelle zu parametrieren. Wann immer möglich, werden physikalische Ausfallmechanismen einbezogen. Sämtliche Verfahren beschränken sich nicht auf aktive Bauelemente, auch passive wie Induktivitäten und Kondensatoren sowie Isolation und Vergusswerkstoffe werden berücksichtigt.  

 

Lifetime Prediction

Ein robustes, zuverlässiges Design benötigt eine effiziente Lebensdauerbewertung. Vom Lastkollektiv zum Verlustleistungsprofil, über den Temperaturverlauf, zur Analyse der Beanspruchung und Lebensdauervorhersage beschreiben unser Know-How.

 

Lock-In
Thermographie

Detektion und Analyse defekter Leistungselektronik, mit Fokus auf der Lokalisierung der Fehlstellen bei passiven Bauelementen (etwa Keramikkondensatoren) oder auch am Halbleiterbauelement, wie z.B. im Randabschluss, Schäden durch den Drahtbondprozess, elektrische Überbeanspruchung (EOS) oder auch Elektrostatische Entladungen (ESD).

 

Thermische
Charakterisierung

Forschung und Dienstleistungen für die thermische Charakterisierung neuer AVT-Konzepte, -Materialien, -Bauteile und -Technologien für die Leistungselektronik. Vom Halbleiter zum Kühlmedium, mit indirektem Temperaturmessverfahren sowie Thermographie, sorgen variable Parameter und Prüflinge für höchste Flexibilität.

 

Material-Charakterisierung

Temperaturabhängige Charakterisierung der mechanischen Eigenschaften von Materialien der Leistungselektronik, Eigenschaften-Mapping über die Fläche, thermische Analysen. Die verfügbare Methodik beinhaltet Nanoindentation, Zugversuche, Focused-Ion-Beam-Schnitte und die simultane thermische Analysis (STA).

 

Active
Power Cycling Test

Vergleichende Lebensdaueruntersuchungen mit aktiven Temperaturwechseln von Leistungsmodulen und Technologiemustern stehen im Fokus, inklusive Qualifizierungstests sowie Technologieuntersuchungen. Diesbezüglich bieten wir eine hohe Flexibilität bei der Parameterwahl und den Prüflingen, wie etwa großen und kleinen Leistungsmodulen mit GaN HEMT, SiC FET, Si IGBT und anderen.

Einblick

© Kurt Fuchs / Fraunhofer IISB (Camera / Editing)

Korrosion & Korrosionsschutz in Power Modulen

Durch Alterung, Feuchtigkeit und zahlreiche weitere Umwelteinflüsse, stellen Korrosion und vor allem auch Korrosionsschutz nach wie vor eine wichtige Kernaufgabe für elektronische Anwendungen dar. Dieser Herausforderung nimmt sich das Frauenhofer IISB mittels zahlreicher Testverfahren an, in denen der Einfluss von thermischen Spannungen, Temperatur- und Feuchtigkeitsbelastung, aber auch Schadgasen ermittelt wird.  

Projekte & Publikationen

 

 

Broschüren als PDF