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

 

Materialien und
Prozessierung

Wir entwickeln Materialien der Aufbau- und Verbindungstechnik und zugehörige Prozesstechniken für Forschungsaufgaben und herausfordernde Kundenwünsche. Dabei adressiere wir z.B. raue Umgebungsbedingungen oder Gewichts-, Kosten- und Umweltrestriktionen.
Unsere Arbeit wird von spezifischen Tests und der elektrischen Charakterisierung der Materialeigenschaften in realitätsnahen Szenarien geleitet.

 

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 und 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.  

 

Aktiver Lastwechseltest und thermische
Charakterisierung

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.

 

Fehleranalyse

Die Analyse verschiedener Systemkomponenten vor und nach der gezielten Alterung sowie aus Feldresultaten kann mit bildgebenden Verfahren und anderen Charakterisierungsmethoden durchgeführt werden.

Zur Freilegung von Systemkomponenten können Geräte oder Module entkapselt werden. Hierfür stehen verschiedene Ätzverfahren und Laserablation zur Verfügung.

 

Lebensdauerprognose

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.

YESvGaN – Vertikale GaN-Leistungstransistoren in kostengünstiger Technologie

Die Partner im Projekt YESvGaN entwickeln eine neue kostengünstige Wide-Bandgap (WBG)-Leistungstransistor-Technologie, die hocheffiziente leistungselektronische Systeme für Elektromobilität, Industrieantriebe, erneuerbare Energien und Rechenzentren ermöglicht.

Das Hauptziel des Projekts ist die Demonstration innovativer vertikaler Galliumnitrid (GaN)-Leistungstransistoren, die auf einem preisgünstigen Substrat wie Silizium hergestellt werden. Diese sogenannte vertikale Membranarchitektur verbindet die hervorragenden Eigenschaften von GaN als WBG-Leistungstransistor-Material mit den Vorteilen einer vertikalen Architektur hinsichtlich Strom- und Spannungsrobustheit, und das zu Kosten, die mit denen für Silizium-IGBTs vergleichbar sind. YESvGaN addressiert die gesamte Wertschöpfungskette – von Substrat-, Epitaxie-, Prozess- und Verbindungstechnologie bis hin zu Anwendungen in leistungselektronischen Systemen. Im YESvGaN-Konsortium bringen 23 Industrie- und Forschungspartner aus 7 europäischen Ländern ihre Kompetenz und Erfahrung ein.

Das Fraunhofer IISB trägt entlang der gesamten Wertschöpfungskette zu YESvGaN bei, unter anderem durch:

  • Analyse von Epitaxieschichtstapeln und Kristalldefekten, Entwicklung innovativer Verfahren zur Messung der elektrischen Eigenschaften von Defekten und dünnen Membranen
  • Definition neuer Prozesse für das Handling von dünnen Membranen beim Packaging und Keramik-Embedding
  • Elektrische Charakterisierung neuartiger Leistungsbauelemente, Entwicklung eines elektrischen Simulationsmodells und Design eines Halbbrücken-Leistungsmoduls

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