Elektromagnetische und thermomechanische Charakterisierung und Zuverlässigkeitsbewertung

Zuverlässigkeitsoptimierung innovativer Aufbautechniken leistungselektronischer Systeme#

FE-Modell von geformten SiC-Modulen (Formmasse nicht dargestellt).
© Fraunhofer ENAS
FE-Modell von geformten SiC-Modulen (Formmasse nicht dargestellt).
Kritische Bereiche an der Die-Spacer-Grenzfläche, abgeleitet aus dem Kohäsivzonenmodell.
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Kritische Bereiche an der Die-Spacer-Grenzfläche, abgeleitet aus dem Kohäsivzonenmodell.

In der Leistungselektronik wird der Ersatz der traditionellen Verbindungstechnologien insbesondere dann zu einer Notwendigkeit, wenn neue Halbleiter mit breiter Bandlücke eingeführt werden, um die Herausforderungen der steigenden Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Kosten zu bewältigen. Für kompakte Wechselrichtermodule wurde eine neue Verbindungstechnologie entwickelt, die auf drahtfreien Oberseitenverbindungen basiert. Die elektrische Verbindung wird durch diese Strukturen hergestellt, die außerdem eine zusätzliche Wärmeableitung von der Oberseite der Chips bieten.

Bei der neuen Verbindungstechnologie werden die oberseitigen Verbindungen zu den SiC-Halbleitern durch metallisch strukturierte Spacer zu einem Leadframe hergestellt. Es wurden parametrische Finite-Elemente-Studien zur T-Beanspruchung in Abhängigkeit von der Spacer-Geometrie/Material und den Pressmassen durchgeführt. Zusätzlich wurden die Auswirkungen verschiedener Spacer-Attach-Lote mit Standard-SAC-Eigenschaften, hoch kriechfesten Innolot-Eigenschaften und Hochtemperaturlot HT1 mit kriechfähigem Verhalten verglichen. 

Als ein dominanter Versagensmodus wurde Chip-Pad-Ermüdungsbruch beobachtet. Die Bewertung dieses Versagensmodus mit Standard-FE-Methoden ist aufgrund des Pad-Seitenverhältnisse und des stark nichtlinearen Materialverhaltens begrenzt. Um eine vergleichbare Schadensmetrik zu erhalten, wurde die CZ-Modellierung eingeführt. Die Methodik erlaubt sowohl die Modellierung der Grenzflächenfestigkeit als auch des Schädigungsfortschritts. Durch kombinierte elektrothermisch-mechanische Modellierung werden schließlich die transienten Temperatur- und Spannungsfelder damit verknüpft.