Leistungselektronik - Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und

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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2
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
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Transiente Temperaturmessung
an einem MOSFET-Modul durch
IR-Thermografie
1
2
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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3
5
6
4
5
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
1
• 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)
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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