F R A U N H O F E R - I N S T I T U T F Ü R Z u v er l ä ssi g k eit un d M i k rointe g ration I Z M

Leistungselektronik

Leistungselektronik von A(VT) bis Z(uverlässigkeit)

Fraunhofer IZM is an independent research facility with more than 250 scientists. It develops advanced assembly and packaging technologies, which maximize the functional density and reliability of mesa-, micro- and nanosystems. Medical applications, in particular, benefit from advances in microsystem technologies, since the latter often facilitate progressive miniaturization. Such technologies have so far been successfully applied to products like pacemakers, hearing aids, bio-microfluidic devices or retinal implants. Indeed, the many assembly and packaging technologies, ranging from flip-chip soldering to adhesive bonding, from flexible circuit substrates to microfluidic channels, can be used in a wide range of bio- and biomedical applications. The most advanced of these processes are being used in permanent implants, like pacemakers or auditory prostheses. Developments like eye pressure implants are also nearing approval. Future concepts include disappearing sensor and actuator devices, for example, sensor band aids, sensor-shirts or integrated hybrid electromicrofluidic devices. By using tele­medicine infrastructure combined with advanced sensor technology and nonobtrusive system integration for constant monitoring at the point-of-care (POC), overall medical costs are re­duced while quality of care is improved. Und dies ist jetzt Blindtext, gemacht ohne Jabberwocki. Da habe ich nur den Text von oben noch einmal kopiert und hier noch einmal eingesetzt. Fraunhofer IZM is an independent research facility with more than 250 scientists. It develops advanced assembly and packaging technologies, which maximize the functional density and reliability of mesa-, micro- and nanosystems. Medical applications, in particular, benefit from advances in microsystem technologies, since the latter often facilitate progressive miniaturization. Such technologies have so far been successfully applied to products like pacemakers, hearing aids, bio-microfluidic devices or retinal implants. Indeed, the many assembly and packaging technologies, ranging from flip-chip soldering to adhesive bonding, from flexible circuit substrates to microfluidic channels, can be used in a wide range of bio- and biomedical applications. The most advanced of these processes are being used in permanent implants, like pacemakers or auditory prostheses. Developments like eye pressure implants are also nearing approval. Future concepts include disappearing sensor and actuator devices, for example, sensor band aids, sensor-shirts or integrated hybrid electromicrofluidic devices.

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Ein Leben ohne elektrische Energie mag sich wohl niemand mehr vorstellen. Doch die natürlichen Ressourcen sind begrenzt. Darum müssen wir zunehmend regenerative Energieträger intelligent und flexibel an das bestehende Energienetz ankoppeln. Elektrische Verbraucher, von

W ir entwi c k e l n

Schaltnetzteilen über Elektro- bzw. Hybridautos und Bahnbetriebe bis hin zu großen Industrie-

k om p l ette

antrieben sollen zudem möglichst effizient und energiesparend arbeiten. Für all diese Aufgaben

l eistun g s­

ist die Leistungselektronik die Schlüsseltechnologie.

e l e k tronis c he S y steme –

Das Fraunhofer IZM verfügt über die notwendigen Kompetenzen in der gesamten Entwick-

v om E ntwurf b is

lungskette vom Systemdesign über die Aufbau- und Verbindungstechnologien, das thermische

zum Protot y p en

Management, elektromagnetische Verträglichkeit bis hin zur Zuverlässigkeits- und Schadensanalytik.

Elektrischer Systemund Schaltungsentwurf Die Einsatzgebiete für leistungselektronische Komponenten sind fast grenzenlos: für Industrieantriebe, zur Erzeugung regenerativer Energien, im Transportwesen oder in innovativer Medizintechnik – und jeder Teilbereich stellt andere Anforderungen an das System. In der Automobilindustrie werden zum Beispiel hohe Schaltströme, Spannungen und Frequenzen gefordert, die gewünschten Betriebs- und Kühlmitteltemperaturen steigen. Weitere Herausforderungen sind mechanische Stabilität, strenge EMV-Richtlinien, kleine verfügbare Bauräume, eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit. Für diese aktuellen Problemstellungen erarbeiten wir wegweisende Lösungen. Unsere Kunden unterstützen wir bei der Entwicklung

T ite l

individueller leistungselektronischer Systeme in den Bereichen:

Elektroauto: Tanken an der Steckdose

• Schaltungstechnik und Prototypenbau • Ansteuerung leistungselektronischer Baugruppen

Lin k e S eite

• Einsatz einer breiten Palette an Simulationswerkzeugen in allen Phasen des Entwurfs,

Cu-Bändchenbonden für Leis-

z. B. Matlab, Simplorer, Solid Works, FEM- und PEEC-Tools

tungselektronik

• EMV-gerechter Entwurf durch Vorhersage und Modellierung elektromagnetischer Störphänomene • Test und Charakterisierung der Prototypen im eigenen Labor

O b en Umrichter für die Rotorblatt­ verstellung eines Hubschraubers, der bei kleinstem Volumen höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit auch unter klimatisch und mechanisch heiklen Bedingungen erfüllt

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Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) Für eine thermisch optimierte Leistungselektronik höchster Zuverlässigkeit werden heute folgende Verfahren erfolgreich eingesetzt: • Flächiges Fügen mit Lotpreforms oder Pasten, durch Ag-Sintern oder Diffusionslöten • Dickdraht- und Bändchenbonden zur Kontaktierung von Leistungs­halbleitern • Anschluss zur Steuerelektronik und Gehäusung / Verkapselung • Röntgen- und Ultraschallmikroskopie, visuelle Inspektion sowie mechanische Tests Mit dem Ziel, den Technologietransfer zur Industrie möglichst einfach und reibungslos zu S y stem inte g ration auf en g stem R aum

gestalten, wird jeder einzelne Prozessschritt von uns systematisch untersucht und weiterent­ wickelt. Die entsprechenden Aktivitäten umfassen: • Entwicklung von Materialien und Lötverfahren, die eine Erhöhung der Wiederaufschmelztemperatur zur Folge haben (Transient Liquid Phase Soldering) • Kooperationen mit Materialherstellern (z.B. DCB / DAB / AMB, Wärmespreizer, Sinter- und Lotpasten) zur Verbesserung der Verarbeitbarkeit, der Kühlung und der Zuverlässigkeit • Entwicklung alternativer Technologien wie Flip-Chip, Ultraschallbonden, Cu-Dickdraht- oder Bändchenbonden, Sandwichaufbauten (doppelseitige Chipkühlung) • Entwicklung innovativer Löttechnologien für Porenfreiheit bei großen Flächen • Die-Löten mit dünnen Schichten (z. B. Au / Sn) zur Verbesserung der thermischen Performance • Optimierung der Klebetechniken, die für geringere Leistungsdichten eingesetzt werden • Alternative Dickdraht- und Bändchenbondverfahren (Cu, Cu/Al) • 3D-Mehrlagen-Integration für erweiterte Funktionen und Modularisierung (Chip in Polymer, Stapellösungen, Embedding von Power Chips) • Aufbautechnolgien für GaAs, InP, SiC und GaN sowie gedünnte Halbleiter • Optimierung der Verkapselungs- und Gehäusungstechnologien für thermisch optimierte Aufbauten bei hoher Durchschlagfestigkeit und Temperaturstabilität Wesentliche Aspekte sind dabei, Gewicht und Größe des Moduls zu minimieren, die eingesetzten Technologien zu vereinfachen und die Kosten zu senken, ohne dabei Einbußen im Wärmemanagement hinnehmen zu müssen. Zukünftige Herausforderungen an die AVT stellen sich vor allem auch durch angestrebte Betriebstemperaturen von mehr als 200 °C.

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32.6

T / °C

29.7

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Thermisches Management Die in leistungselektronischen Bauelementen entstehende Wärme muss zuverlässig abgeführt werden. Hierzu ist es nötig, den gesamten Wärmepfad in einem Systemansatz zu betrachten:

E ntw ä rmun g

Vom Chip wird die Wärme durch verschiedene Grenzschichten, thermische Interface-Materia-

v om Chi p

lien, Spreizer und Substrate abgeleitet, bevor sie durch einen Wärmetauscher (Kühler) an die

zum S y stem

Umgebung abgegeben wird. Alle diese Stationen beeinflussen den thermischen Widerstand und müssen bedarfsgerecht optimiert werden. Wir bieten dazu ein umfassendes Konzept für zuverlässige und kostengünstige Entwärmungslösungen an. Dieses beinhaltet im Einzelnen: • Technologie- und Prozess-Know-how • Materialcharakterisierung • Thermisches Design (Simulation) • Messtechnik Im thermischen Labor stehen folgende Messmethoden zur Verfügung: • Hochauflösende transiente IR-Thermografie • Windkanal • Wasserkühlermessplatz • Thermische Werkstoffcharakterisierung (Kleber, Pads, Metallverbindungen, …): … Grenzflächenwiderstand … Wärmeleitfähigkeit … Thermische Impedanz • Thermo-fluidische Simulation auf Systemebene 1 Eine besondere Stärke des Fraunhofer IZM liegt in der Kombination von Simulation und

Leistungsumrichter

Experiment. So kann schon in der Designphase der Wärmepfad unter applikationsspezifischen

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Randbedingungen optimal ausgelegt werden.

Darstellung des Messergebnisses aus dem Aufbau der nebenste-

Weitere aktuelle Forschungsaktivitäten umfassen z. B. die thermoelektrische Kühlung und das

henden transistenten Tempera-

Verhalten von thermischen Grenzschichten bei Alterung.

turmessung

3 Transiente Temperaturmessung an einem MOSFET-Modul durch IR-Thermografie

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Elektromagnetische Verträglichkeit Je mehr leistungselektronische Systeme in ganz unterschiedlichen Umgebungen integriert werden, umso wichtiger wird das Gebiet der elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV), um störungsfreie Funktionen zu gewährleisten. Besonders bei den Hybrid- und Elektrofahrzeugen hat es sich gezeigt, dass mit den bisher üblichen Methoden diese Probleme nicht in den Griff zu bekommen sind. Wir haben uns auf diesen Themenbereich spezialisiert und bieten Beratung und ForschungsS t ö rsi c here

dienstleistungen für alle Phasen der Produktentwicklung an. Angefangen bei Grundlagenunter-

S y steme v on

suchungen zu Störphänomenen in spezifischen Applikationen wird dabei die ganze Bandbreite

M i l l i - b is

bis zum Trouble Shooting nach Auslieferung eines Produkts abgedeckt. Wir arbeiten hierbei

Gi g ahertz

sowohl mit Simulationsverfahren, die wir speziell für häufig wiederkehrende Fragestellungen entwickelt haben, als auch mit differenzierten Messreihen. Typische Arbeitsthemen sind: • Forschung zu EMV-Phänomenen und Filter-Topologien • Simulation von Störungen auf Systemebene • Kostenoptimierung auf Systemebene • Entwicklung von EMV-Konzepten, Filtern und Schirmung • Trouble Shooting Für die Verifizierung steht uns eine umfangreiche Messtechnik zur Verfügung, einschließlich einer Absorberkammer und einem Labor zur Netzwerk- und Impedanzanalyse. Für die Simulation kommen Schaltungssimulatoren und 3D-Feld-Berechnungsprogramme zum Einsatz.

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Zuverlässigkeit Neben einem bestmöglichen thermischen Design ist die thermo-mechanische Zuverlässigkeit entscheidend wichtig: Thermisch induzierte mechanische Spannungen und Dehnungen führen

Desi g n für

zum Versagen von leistungselektronischen Systemen und reduzieren deren Lebensdauer. Bereits

Z u v er l ä ssi g k eit

in der Designphase können entscheidende Parameter optimiert werden, um eine möglichst hohe Zuverlässigkeit zu garantieren. In Experimenten wird das Schädigungsverhalten der Materialien und Bauelemente sorgfältig analysiert und charakterisiert, für die Modellierung am Rechner können im Vorfeld gezielt Material- oder Geometrieparameter variiert werden. Am Fraunhofer IZM stehen insbesondere die technologiespezifischen Materialeigenschaften messtechnisch im Mittelpunkt. Diese sind z.B. wichtig, um die Lebensdauer einer Lotverbindung oder eines Drahtbonds zu bestimmen und ggf. Maßnahmen zur Steigerung der Zuverlässigkeit zu ergreifen. Alle zuverlässigkeitsrelevanten Aspekte der Leistungselektronik können so behandelt werden: • Lot-, Sinter- oder Klebeverbindungen • Drahtbond- und Bändchen-Verbindungen • Thermische und elektrische Vias • Verkapselungen

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• Substrate und Kompositmaterialien

Beispiel für ein Elektrofahrzeug, in dem Störungen auftreten

Hierzu ist die entsprechende Messtechnik vorhanden: • Aktive bzw. passive thermische Lastwechsel zur Lebensdauerevaluierung

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• Verfahren zur Zustandsüberwachung und Felddatenerfassung

EMV-Messplatz in der Absorber-

• Teststand für kombinierte und beschleunigte Lebensdauertests (Vibration, Temperatur,

kammer

Temperaturwechsel und Feuchte) • Metallografie, EBSD, FIB, REM, EDX

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• Ultraschall- und Röntgenmikroskopie

Riss in einem Dickdrahtwedge

• Hochauflösende Deformationsmessung (berührungslos und mit Temperaturvariation) 4 Aktuelle Forschungsaktivitäten konzentrieren sich auf Methoden der Zustandsüberwachung,

Riss in einer Ag-Sinterschicht

der Berücksichtigung von transientem Materialverhalten und Materialalterung, auf Fehlermechanismen bei neuartigen Materialkombinationen und Kontaktabmessungen sowie kombinier-

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ten Belastungen. Dank unserer Systemkompetenz auf dem Gebiet der Zuverlässigkeit sind wir

Messaufbau zur Bewertung

in der Lage, kostengünstig material- und prozessoptimierte Technologielösungen anzubieten

der Zuverlässigkeit von ther-

und so einen Beitrag zur Lebensdaueroptimierung zu leisten.

misch leitfähigen Verbindungsmaterialien (TIM)

Ihr Partner: Fraunhofer IZM

Services und Leistungen des Fraunhofer IZM Die am Institut verfügbaren Dienstleistungen umfassen den Komplettaufbau von PowerModulen auf Basis neuester Materialien, Technologien und Forschungserkenntnisse. An alternativen Aufbautechnologien für Leistungshalbleiter wird intensiv geforscht. Sie sind bei uns an der richtigen Adresse für: • Beratung und Machbarkeitsstudien S ie ha b en d as Pro b l em – wir Die L ö sun g . Konta k tieren sie uns

• Systementwurf, Entwicklung und Test • Materialcharakterisierung • Simulation (elektrisch, thermisch, fluidisch und mechanisch) • Prozessentwicklung/-optimierung • Muster- und Kleinserienaufbau • Qualitäts- und Zuverlässigkeitsuntersuchungen • Fehler- und Schadensanalysen

E-Mail: [email protected]

Leitung:

Systemdesign und elektromagnetische Verträglichkeit

Prof. Dr. Klaus-Dieter Lang

Dr. Eckart Hoene Telefon: +49 30 46403-146 E-Mail: [email protected] Aufbau- und Verbindungstechnik Dr. Matthias Hutter Telefon: +49 30 46403-167

Gustav-Meyer-Allee 25

E-Mail: [email protected]

13355 Berlin Fon: + 49 30 46403 -100

Thermisches Management und Simulation

Fax:

Dr. Olaf Wittler

+ 49 30 46403 -111

URL: www.izm.fraunhofer.de

Telefon: +49 30 46403-240

E-Mail: [email protected]

E-Mail: [email protected]

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PE 11/04 - 2d

Telefon: +49 30 46403-172

und Mikrointegration IZM

anderen Fraunhofer IZM.

für Zuverlässigkeit

(Hintergrundlandschaft, S. 3 re.); HeiseFoto / Israel Hadari (S. 6 li.); Fraunhofer IZM / Volker Döring (S. 6 re.) alle

Dr. Martin Schneider-Ramelow

Berlin Fotografie: BMW Group pressClub (Cover, S. 8); Frank Oberle (Hubschrauber, S. 3 re.) & Momentum

Fraunhofer Institut

Konzept & Redaktion: Fraunhofer IZM PR, Berlin + M.Creutzfeldt / MCC Berlin · Design: J. Metze / Atelier f:50

• Know-how- und Technologietransfer