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Arbeitsgruppe Technologieentwicklung Leistungselektronik

Die Arbeitsgruppe "Technologieentwicklung für Leistungselektronik" wurde 2018 innerhalb des Themenfeldes "Energiewende und Transformationsgestaltung" an der HSHL gegründet und beschäftigt sich mit der Entwicklung, Bewertung und Optimierung neuer Verbindungstechnologien für Leistungsmodule.

Der Ausbau der erneuerbaren Energien und die zunehmende Elektrifizierung von KFZ-Antrieben (Hybrid-Technologie & E-Mobilität) hat in den letzten Jahren zu einer stark ansteigenden Nachfrage nach leistungselektronischen Komponenten mit höheren Leistungsdichten und hoher Robustheit gegenüber Umwelteinflüssen geführt. Gleichzeitig sollen die Leistungsmodule bei z.T. stark erhöhten Anforderungen anspruchsvolle Lebensdauererwartungen erfüllen, da ein Austausch der Komponenten äußerst aufwändig sein kann (z.B. Offshore-Windparks). Im Zuge dessen wurden neben optimierten "herkömmlichen" Bauelementen auch neue Halbleitermaterialien, robustere Metallisierungssysteme und vor allem neue Technologien zur Montage und Kontaktierung der Halbleiterbauelemente (sogenannte "Aufbau- und Verbindungstechnik", AVT) angestoßen.

Schwachstellen von herkömmlichen Leistungsmodulen hinsichtlich Temperaturstabilität und Zuverlässigkeit sind vor allem die chip-nahen Anschlusstechnologien: die Anbindung der Chips an die Schaltungsträger über Weichlotverbindungen einerseits und die oberseitige Kontaktierung der Bauelemente mittels Aluminium-Drähtchen – sogenannter Bonddrähte – andererseits. Im Betrieb kommt es durch die hohen zu schaltenden Ströme zu einer zyklischen Erwärmung der Baugruppen; aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten der Halbleiter-Chips einerseits und der Schaltungsträger und Anschlussmaterialien andererseits ermüden die Anschlusskontaktierungen, was im Resultat zum Ausfall der gesamten Baugruppe führt.

Zur Erhöhung der Lebensdauer wurden in der jüngeren Vergangenheit neue Technologien zur Chip-Befestigung und -Kontaktierung entwickelt: Für die Chip-Substrat-Verbindung kommt dabei das sogenannte "Silber-Sintern" zum Einsatz, bei der die Halbleiter-Chips durch eine feste und temperaturstabile Silberschicht mit dem Schaltungsträger verbunden werden. Für den oberseitigen Anschluss rücken statt der konventionell verwendeten Aluminium-Bonddrähte zunehmend Legierungen oder Metalle mit höherer Festigkeit in den Fokus.

  • Tätigkeitsfelder
    • Technologieentwicklung Sinterprozesse
    • Entwicklung von Bondtechnologien und -metallisierungen für erhöhte Zuverlässigkeit leistungs-elektronischer Systeme
    • Lebensdauertest und -modellierung von Leistungsmodulen
  • Labore und Ausstattung
    • Technologie
      Prozesskette Sintern (Drucken, Trocknen, Bestückung, Sintern)
      Drahtbonden (Dick- und Dünndraht)
      Scher- und Pulltest (beheizbar bis 450°C)
      Optische Mikroskopie
    • Test
      Messstand für aktive Lastwechseltests (Power Cycling)
    • Analytik
      Schliffpräparation inkl. Sputtern & Ionenpolitur
      REM, FEREM inkl. EDX
      Korrelative Mikroskopie REM/LiMi (Zeiss)
      Lichtmikroskopie mit Heiz-/Kühltisch; -80°C bis 600°C
      Weißlichtprofilometer
      3D-CT
      Kontaktwinkelmessung (SFT)
      TGA, DSC
      IR-Spektroskopie
      Härte- und Zugprüfung (bei Bedarf T-abhängig)
  • Dienstleistungen
    • Optimierung der Sintertechnologie
      Grundlagenuntersuchungen zur Verbindungsbildung
      Entwicklung & Bewertung von Mess- und Prüfmethoden für Einzelprozesse
      Prozessstudien bezüglich Anforderungen vs. Prozessergebnis
      Konzeptstudien
      Musterbaubetrieb für gesinterte Leistungsmodule
    • Qualifikation von Metallisierungssystemen für Sinter- und Drahtbondanschluss
      Phasenanalysen
      Mechanische Bewertung
      Interface- und Grenzflächenanalysen
      Bewertung Eignung Materialkombination BEOL-Technologie vs. AVT
    • Aktive Lastwechseluntersuchungen
      Power-Cycling Test
      Fehleranalyse
      Thermomechanische Simulation
      Lebensdauermodellierung

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