Kupfersintern als Fügetechnologie für Leistungselektronik

Abstract

Die Entwicklung verlustarmer Leistungselektronik ermöglicht effiziente Elektromobilität und regenerative Energiesysteme. Mit den neuen, leistungsfähigeren Halbleitermaterialien wachsen auch die Anforderungen an das in der Leistungselektronik eingesetzte Fügematerial. Das sog. Silbersintern löst durch seine hervorragenden Materialeigenschaften und hohe Beständigkeit konventionelle Weichlote in leistungselektronischen Modulen ab. Die Verwendung von hochwertigen Silberpartikeln als Fügematerial führt allerdings auch zu gesteigerten Kosten für Leistungselektronik. In dieser Arbeit werden Kupferpartikel als Substitut für Silber in einem Fügematerial für Leistungselektronik untersucht. Die Eigenschaften der im Drucksintern erzeugten kupfernen Verbindungsschichten werden beschrieben. Die Auswertung der gesinterten Gefügestruktur, elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, thermischen Ausdehnung und mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Plastizität sowie Kriechverhalten ermöglichen die Einordnung des Kupfer-Sintermaterials gegenüber bestehenden Fügetechnologien. Der Einfluss der Prozessfaktoren (Druck, Temperatur und Prozesszeit) auf die Eigenschaften der gesinterten Kupferverbindung wird dargelegt und erlaubt die Bewertung der industriellen Umsetzbarkeit anhand eines Prozessfenster. In Alterungstests sowie passiven und aktiven Zuverlässigkeitstests wird das Potential von Kupfer als Fügematerial für Leistungselektronik der Zukunft gezeigt.