Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWSElektronische Bauelemente stellen Schlüsselkomponenten für die Erhöhung von Energieeffizienz und Lebensdauer für die Automobil-, Industrie- und Energietechnik dar. Intensive Einsatzbelastungen infolge von äußeren Temperaturschwankungen, Vibration und Feuchte sowie durch verlustbedingte innere Wärmebelastung führen zu enormen Beanspruchungen während des Einsatzes, insbesondere für die Aufbau- und Verbindungstechnik. Um industriellen Anforderungen an Qualität und Zuverlässigkeit gerecht zu werden, sind daher neue temperaturstabile Werkstoffsysteme für die Kontaktierung und Montage von Halbleitern und Substraten in leistungselektronischen Modulen und Systemen erforderlich.
Silbersinterverbindungen in der Leistungselektronik
Die Verbindungstechnik mittels Silbersintern bietet hohes Potenzial für eine deutliche Steigerung von Lebensdauer sowie elektrischen und thermischen Kontakteigenschaften als Alternative zum Weichlöten. Ein technischer Einsatz in der Massenfertigung erfordert jedoch, die prozess- und materialbedingten Ursachen für Schwankungen der Kontaktierungsqualität zuverlässig zu beherrschen. In Kooperation mit Industriepartnern wurden – finanziell gefördert durch das European Center for Power Electronics GmbH (ECPE) – Untersuchungen durchgeführt, die eine Analyse von Materialreaktionen und Defektmechanismen in den Grenzflächen zwischen Silbersinterschicht und den unterschiedlichen Chip- beziehungsweise Substratmetallisierungen zum Ziel hatten. Dabei kamen hochaufgelöste, nanoanalytische Diagnostikmethoden der Elektronenmikroskopie und Spurenanalytik zur Anwendung. Als haftungsmindernde Ausfallmechanismen und Ursachen von Delaminationen wurden die Bildung von Silbersulfid (Abbildung 1), oxidierte Basismetallisierungen sowie dünne organische Kontaminationsschichten identifiziert.
Ausblick
Die neu erarbeiteten Erkenntnisse zur Silbersintertechnologie sollen zukünftig zur Entwicklung qualitätsgerechter, hochzuverlässiger Leistungselektronik-Komponenten beitragen. Einsatzmärkte reichen von Automobilelektronik und Elektromobilität bis zur elektrolytischen Erzeugung von Wasserstoff als temporärer Energiespeicher im Rahmen der geplanten HYPOS-Initiative.