Erhöhung der Lebensdauer von Leistungsmodulen durch Verzicht auf Lot und Grundplatte

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Die Konstruktion ist entscheidend

Bei passiven Temperaturzyklen andererseits ist dies nicht möglich. Passive Zyklen entstehen durch eine Temperaturänderung der Umgebung. Für ein Leistungsmodul werden solche Belastungen durch eine Temperaturänderung des Kühlkörpers hervorgerufen, die wiederum auf eine Änderung der Kühlmitteltemperatur oder durch die Verlustleistung anderer Bauelemente erzeugt werden kann. Für die Belastbarkeit durch passive thermische Zyklen ist allein die Konstruktion des Moduls ausschlaggebend, sie kann nicht durch mehr Siliziumfläche gesteigert werden.

Delaminierung der Lotverbindung

Die Auswirkungen passiver Temperaturzyklen auf ein klassisches Leistungsmodul mit Cu-Grundplatte zeigt Bild 1. Durch passive thermische Zyklen (-40 bis 125 °C) wird aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Grundplatte und Substrat in der Lötung ein erheblicher Stress erzeugt, der schon nach 150 Zyklen zu Delaminierungen in der Lotverbindung führen. Im Scanning Acoustic Microscope (SAM) zeigen sich diese Delaminierungen als helle Flecken, die von den Substratecken zum Zentrum wachsen. Die starke Reflexion an diesem Spalt führt dazu, dass in den tieferen Schichten kaum noch Intensität vorhanden ist. Daher zeigen die Aufnahmen der Chiplötung im Bereich dieser Delaminationen schwarze Flecken. Dieses Artefakt der Aufnahme erlaubt aber, den Fortschritt dieser Schädigung in Hinblick auf die Chipposition zu bewerten: Nach 200 Zyklen ist bei beiden Lotsystemen (bleifrei oder bleihaltig) die Schädigung bereits bis unter der Chip vorgedrungen.

Ein langes Leben ohne Grundplatte

Für Module ohne Grundplatte wird dieser Fehlermechanismus völlig ausgeschaltet, da hier keine stoffschlüssige Verbindung auf der Substratunterseite mehr vorhanden ist. Damit lassen sich Leistungsmodule herstellen, die hinsichtlich der passiven Temperaturwechselfestigkeit den klassischen Modulen deutlich überlegen sind. Bild 2 zeigt ein Zwischenergebnis einer passiven Temperaturwechselprüfung an einem SKiM-Modul. In diesem Modul wurden auch die Chiplötungen durch eine zuverlässigere Ag-Sinterverbindung ersetzt. In diesem Test sollen sechs Module bis zum Ausfall getestet werden. Da eine Alterung der Sinterschicht nicht zu erwarten ist, werden in Zwischenmessungen die Sperrfähigkeit der Chips und Isolationsfähigkeit der Substrate überwacht. Der Test zeigt nach 1300 Temperaturzyklen noch keinen Ausfall.

*Dr. Uwe Scheuermann ist Manager Produktzuverlässigkeit bei SEMIKRON, Nürnberg.

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