Eintrag in der Universitätsbibliographie der TU Chemnitz
Volltext zugänglich unter
URN: urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-942084
Schaal, Marco
Wunderle, Bernhard (Prof. Dr.-Ing.) ; Wiese, Steffen (Prof. Dr.-Ing. habil.) (Gutachter)
Zuverlässigkeitsbewertung gesinterter Ag-Verbindungsschichten und Bestimmung der Ausfallmechanismen in der Leistungselektronik
Reliability assessment of sintered Ag interconnect layers and determination of failure mechanisms for power electronics
Kurzfassung in deutsch
Der fortschreitende Trend zu höherer Leistungsdichte und Miniaturisierung führt auch in der Leistungselektronik zum Einsatz neuer Technologien, wie dem Silber (Ag) Sintern. Dieses weist eine höhere Temperaturbeständigkeit gegenüber konventionellen Loten auf und ermöglicht eine längere Lebensdauer. Fehlermechanismen, Lebensdauermodelle und prozessabhängige Einflüsse des Ag-Sinterns sind Gegenstand aktueller Forschungsarbeiten. Diese Arbeit beschäftigt sich insbesondere mit der Lastwechselfestigkeit bei passiven Temperaturwechseln für verschiedene Hübe und dem daraus entstehenden neuen Fehlermechanismus der Sinterschicht im Zusammenspiel mit dem Kupfer des Substrats. Untersuchungen der Mikrostruktur zeigen dabei eine starke Verformung des Kupfers, bei der ein Wechselspiel mit der Sinterschicht entsteht und sich eine dreidimensionale Hügel- und Tallandschaft ausbildet. Dies führt zu Bereichen hoher und niedriger Porosität innerhalb der Sinterschicht und somit zu einer Inhomogenität hinsichtlich der Materialeigenschaften. Diese Parameter spielen für die spätere Simulation eine entscheidende Rolle. Der Fehlermechanismus wird systematisch untersucht und dargestellt. Ebenfalls werden Phänomene bei Hochtemperaturauslagerung bei 180 °C beobachtet, die keine besonderen Veränderungen der Sinterschicht gegenüber Parametern wie der Porosität aufweisen. Die beiden verwendeten Halbleiter verfügen über eine unterschiedliche Oberflächenmetallisierung (Silber und Gold), was für die Gold (Au) Metallisierung zum Wachstum eines porenfreien Gebiets und darüber hinaus zur Ausbildung einer dünnen Kupferoxidschicht führt. Zudem werden in der Arbeit verschiedene Schädigungsparameter und Ansätze simulativ untersucht, um ein geeignetes Lebensdauermodell abzuleiten und den vorliegenden Fehlermechanismus abzubilden. Es werden klassische Ansätze wie die der akkumulierten plastischen Dehnung und Dehnungsenergiedichte pro Zyklus, Tri- und Multiaxialitätsfaktoren sowie die Modellierung inhomogener Sinterschichten, mit Hilfe verschiedener Materialmodelle untersucht. Ein neu entwickelter Ansatz wird letztlich vorgestellt, bei dem Daten aus den passiven Temperaturwechseln in Kombination mit der Beanspruchung aus der Simulation zu einem Lebensdauermodell zusammengefügt werden. Die Ergebnisse zeigen die Notwendigkeit von Simulationen auf Mikrostrukturebene und die Limitierung der klassischen kontinuumsmechanischen Modellen. Als Eingangsparameter sind hierzu die Materialdaten und deren Charakterisierung von großer Bedeutung. Dabei werden maßgeblich die Versuchsdaten von Flachzugproben mit einer Dicke, vergleichbar der späteren Sinterschicht im Modul genutzt, da diese denselben Sinterprozess durchlaufen können und somit eine vergleichbare Mikrostruktur aufweisen. Zusätzlich werden erste Ergebnisse einer neu entwickelten Probe und deren Herstellungsprozess vorgestellt. Da es sich dabei um eine Rundzugprobe handelt, können an dieser in Zukunft umfangreiche Ermüdungsversuche in Zug-Druck-Richtung durchgeführt werden. Dies ist im Vergleich zu den herkömmlichen Ag-gesinterten Proben ein großer Vorteil, da Materialmodelle und Ermüdungsschädigungen am reinen Material untersucht werden können.
| Universität: | Technische Universität Chemnitz | |
| Institut: | Professur Werkstoffe und Zuverlässigkeit mikrotechnischer Systeme | |
| Fakultät: | Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik | |
| Dokumentart: | Dissertation | |
| Betreuer: | Wunderle, Bernhard (Prof. Dr.-Ing) | |
| URL/URN: | https://nbn-resolving.org/urn:nbn:de:bsz:ch1-qucosa2-942084 | |
| SWD-Schlagwörter: | Zuverlässigkeit , Materialcharakterisierung , Materialmodellierung , Kontinuumsmechanik | |
| Freie Schlagwörter (Deutsch): | Zuverlässigkeit , gesintertes Silber , Materialcharakterisierung , Materialversuche , Materialmodellierung , Lebensdauermodell , Fehleranalytik , Kontinuumsmechanik , FEM-Simulation | |
| DDC-Sachgruppe: | 620.1 | |
| Sprache: | deutsch | |
| Tag der mündlichen Prüfung | 16.09.2024 | |
| OA-Lizenz | CC BY-SA 4.0 |
