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Werkstoffe & Materialien

Robustere Leistungselektronik durch verbesserte AVT

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Anbieter zum Thema

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

Herausforderung und Zielkonflikt

Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus in Hanau hat sich in einer Vielzahl von Projekten mit diesen Themen beschäftigt, insbesondere im Rahmen des Übergangs zu bleifreien Loten mit Verbesserungen der thermozyklischen Beständigkeit und der Hochtemperatur-Eigenschaften der Lotlegierungen.

Typische Herausforderung bei diesen Arbeiten ist der Zielkonflikt aus möglichst niedriger Prozesstemperatur beim Löten (Belastung der Bauelemente, Verdrahtungsträger usw.) und der angestrebten Hochtemperatur-Eigenschaften der Fügeverbindung.

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Eine bloße Steigerung des Schmelzpunktes ist deshalb nicht zielführend. Neue Entwicklungen, die aus diesem Zielkonflikt hinausführen, sind zum Beispiel spezielle Legierungen wie das 6-Stoffsystem SnAgCuBiSbNi (Heraeus bezeichnet es als InnoLot) und die HT1-Legierung (SnAgCuIn plus Kristallmodifizierer).

Die beiden neuen Legierungen haben einen ähnlichen Schmelzpunkt wie SnAg-Lot und ermöglichen Steigerungen der thermozyklischen und Hochtemperatur-Eigenschaften. Auf der Leistungselektronik-Module-Ebene lässt sich dadurch die maximal erlaubte Betriebstemperatur bzw. die Powerzyklen-Festigkeit weiter verbessern.

Eine materialtechnische Meisterleistung

Eine deutlichere Verbesserung der Hochtemperatureigenschaften wird durch die isotherme Erstarrung des Lotes beim Diffusionslöten erreicht. Bei den konventionellen Lötverbindungen bildet sich eine eutektische Zone in der Mitte der Lötstelle und zum Metall die isotherm erstarrten intermetallischen Zonen. Die eutektische Zone der konventionellen Lote bestimmt die thermo-mechanischen Eigenschaften. Sie hat beim SnAg-Lot einen Schmelzpunkt von 221 °C und beim SnPb-Lot von 183 °C.

Beim Diffusionslöten dagegen erstarrt das Lot (z.B. SnCu, Schmelzpunkt 227 °C) isotherm und verwandelt sich durch Reaktion mit dem Substratmaterial komplett in die intermetallische Phase. Die intermetallischen Phasen haben einen deutlich höheren Schmelzpunkt als das konventionelle Lot selbst: Die Cu3Sn-Phase 676 °C und die Cu6Sn5-Phase 415 °C. Bei Verwendung von dünnen Schichten (Dicke etwa 10 μm) müssen jedoch spezielle DCB-Substrate mit einer geringen Rauigkeit verwendet werden (ein Standard-DCB-Substrat hat eine Rauigkeit von ca. 20 µm).

Zur Erzeugung dickerer Schichten wird das Diffusionslot mit einem Grundstoff, z.B. Kupferpulver, gefüllt. Die niedrig-schmelzende Komponente des Lotes diffundiert in den Grundstoff, bis der ganze Lötspalt isotherm erstarrt ist.

Bei den Diffusionslötprozessen muss das Lot länger als bei den konventionellen Lötprozessen auf der Verarbeitungstemperatur gehalten werden, besonders bei dickeren Schichten, da die Zeit für die Ausbildung der intermetallischen Phase durch Diffusion mit dem Quadrat der Schichtdicke wächst. Ein vorzeitiges Abbrechen des Diffusions-Lötprozesses würde zu einer eutektischen Restzone führen und die mechanischen Eigenschaften somit negativ beeinflussen. Die große Herausforderung bei den dickeren Schichten ist es, eine gleichmäßige, porenfreie Verbindungsschicht zu erreichen.

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