Die Kontaktschmiede: Forscher der FH Kiel verhelfen Halbleiterbauteilen zu einer längeren Lebensdauer
Veröffentlicht: 11.03.2010
Ob im Fahrstuhl, in der Windkraftanlage oder beim elektrischen Schweißen - wenn hohe Stromstärken in Motoren zu regeln sind, stehen die Steuerelemente unter großer Belastung. Die Lebensdauer der Halbleiterbauteile ist bisher dadurch begrenzt, dass deren Verbindungen geklebt, gelötet oder in Form von dünnen Bonddrähten geschweißt werden. Forscher der FH Kiel verhelfen der gestressten Elektronik jetzt zu längerem Atem.
Nur wenige Quadratzentimeter groß ist das elektronische Bauteil, das Ronald Eisele zwischen seinen Fingern hält - eine Steuereinheit, wie sie zum Beispiel in Servoantrieben millionenfach zum Einsatz kommt. Und doch ist dieses Stück etwas ganz Besonderes: „Sie sehen hier eine Weltpremiere”, sagt der Professor des Instituts für Mechatronik der FH Kiel stolz. Weder die Mikrochips noch die Drähte, die sie verbinden, wurden wie üblich durch Löten oder Kleben befestigt. Die Forscher haben sie mit einer Silberpaste gesintert, so der Fachausdruck - und dadurch die Lebensdauer des Bauelementes um ein Vielfaches erhöht.
Bevor der Professor erklärt, was es mit dem Sintern auf sich hat, erläutert Eisele zunächst die Ausgangsproblematik. In der Leistungselektronik werden hohe Ströme und Spannungen mit Hilfe elektronischer Bauteile gesteuert. „Denken Sie zum Beispiel an einen Aufzug, der sanft anfahren und abbremsen soll.” Transistoren in den Schaltungen takten den Strom, dosieren ihn bedarfsgerecht. Nicht nur der zu schaltende Energiefluss ist dabei hoch, sondern auch der einhergehende Verlust in Form von Wärme. Daher müssen die Halbleiter und ihre Kontakte vor Überhitzung geschützt werden.
Die Steuermodule bestehen meist aus einer Grundplatte aus Kupfer, auf die ein Keramiksubstrat aufgebracht ist. Auf diese Keramik werden die Halbleiterelemente aufgelötet. So kann die Wärme aus dem Mikrochip abgeleitet werden. Auf der Chip-Oberseite verbinden Bonddrähte aus Aluminium den Mikrochip mit den elektrischen Anschlüssen. Diese Drähte werden traditionell Ultraschall geschweißt. Und genau darin liegt das Problem. „Die ständigen Temperaturwechsel beim Takten des Stroms stressen das Bauteil”, sagt Eisele. „Die verschiedenen Materialien dehnen sich unterschiedlich stark, und es kommt zu einer thermomechanischen Zerrüttung an den Kontaktstellen. Die Belastungen können zu Mikrorissen in den Lotmaterialien führen und die Bindungen mit der Zeit lösen - bis schließlich das Bauteil komplett ausfällt.”
In Kooperation mit der Firma Danfoss Silicon Power aus Schleswig haben die Forscher nach einer alternativen Verbindung gesucht. Finanziell unterstützt wurden sie von der Innovationsstiftung Schleswig-Holstein, der EU und dem Schleswiger Unternehmen. Als Fügewerkstoff bot sich Silber an, schließlich ist das Edelmetall in der Industrie gebräuchlich und hat hervorragende Leiteigenschaften. Aber: Silber schmilzt erst bei rund 960 Grad Celsius, der Halbleiter würde schon bei Temperaturen jenseits von 250 Grad Celsius zerstört werden. „Unser Trick ist, das, was noch zum Verbinden der mikroskopischen Silberpartikel fehlt, durch Druck aufzubringen”, erläutert Eisele. Genau das passiert beim Drucksintern.
Drucksintern ist eine Verbindungstechnik, bei der unter hohem Druck pulvrige Stoffe so zusammengepresst werden, dass die einzelnen Partikel fest zusammenwachsen. Etwa so, als formt man mit den Händen aus losem Pulverschnee einen Schneeball. Statt Schneeflocken werden an der FH Kiel Silberflocken gepresst, die in einer nanoporösen Silbersuspension auf das Bauteil aufgetragen werden.
Dem Team von Professor Eisele ist es zunächst gelungen, ein Verfahren zu entwickeln, um die Verbindung vom Leistungstransistor zur Substratplatte in Sintertechnik herzustellen. Danach nahmen sich die Mitarbeiter die Bonddrähte vor. Für eine punktförmige Sinterung mussten sie unter anderem einen speziellen Werkzeugkopf konstruieren. Äußerst problematisch ist auch die exakte Positionierung in der Maschine. „Das ist so, als wollten sie eine Glasscheibe in einen Schraubstock spannen”, sagt Eisele.
Die mehrjährige Arbeit hat sich gelohnt. Die Sinterverbindungen sind dauerhaft und temperaturrobust. Während herkömmliche Bauteile im Belastungstest nach rund 35.000 Extrem-Lastzyklen kaputt gingen, gab es erste Ausfälle bei den gesinterten Elementen erst nach mehr als 400 000 Zyklen.