Forschungsprojekt arbeitet an neuem Testverfahren für Sinter-Verbindungen

15. 05.2023 | E‑Blog

Forschungsprojekt arbeitet an neuem Testverfahren für Sinter-Verbindungen

15.05.2023 | E‑Blog

Wie lassen sich Sinter-Verbindungen, die etwa in E‑Antrieben und Umrichtern zum Einsatz kommen, effizient und zerstörungsfrei testen? Eine Antwort darauf gibt ein aktuelles ZIM-Forschungsprojekt, das gemeinsam mit den Firmen budatec und Kraus Hardware am Zentrum für mikrotechnische Produktion der TU Dresden bearbeitet wird. Im Mittelpunt dabei: die sogenannte Kontakt-Thermografie. Hier berichtet Dr. Martin Oppermann (Foto) von der TU Dresden über den aktuellen Status des Projektes. 

Herr Opper­mann, warum beschäf­ti­gen Sie sich über­haupt mit einem neuen Testverfahren?

Aktu­ell neh­men die Anfor­de­run­gen im Bereich der Leis­tungs­elek­tro­nik zu, denn sie spielt ja etwa in der E‑Mobilität oder bei Umrich­tern für erneu­er­bare Ener­gien eine zen­trale Rolle. Dabei ent­ste­hen häu­fig höhere Tem­pe­ra­tu­ren im Betrieb von Ansteu­er­elek­tro­nik und die ther­mi­sche Leit­fä­hig­keit des Gan­zen ist beson­ders wich­tig. Folg­lich set­zen Ent­wick­ler auf DCB-Sub­strate (Direct Cop­per Bon­ding) – sie füh­ren die Wärme sehr schnell ab – und Sin­ter-Ver­bin­dun­gen, weil sie den höhe­ren Tem­pe­ra­tu­ren bes­ser Stand hal­ten als klas­si­sche Löt­ver­bin­dun­gen. Aller­dings gibt es bis­lang kein zer­stö­rungs­freies Test­ver­fah­ren für Sin­ter-Ver­bin­dun­gen zwi­schen DCB-Sub­strat und Chips.

Könnte man nicht auf Rönt­gen- oder Ultra­schall-Pro­zesse set­zen?
Nein, sie funk­tio­nie­ren nicht, weil beim Sin­tern keine homo­gene Schicht ent­steht. Folg­lich gibt es auch kein Kon­trast­si­gnal, von dem aus man per Rönt­gen oder Ultra­schall auf einen qua­li­täts­ge­rech­ten Pro­duk­ti­ons­pro­zess schluss­fol­gern könnte. Man muss es deut­lich sagen: In einem der anspruchs­volls­ten Fel­der der Elek­tronik­pro­duk­tion fehlt ein schnel­les und effek­ti­ves Ver­fah­ren zur Qualitätssicherung.

Wie genau gehen Sie nun vor, um die­ses Pro­blem zu lösen?
Zusam­men mit buda­tec und Kraus Hard­ware arbei­tet unser Zen­trum für mikro­tech­ni­sche Pro­duk­tion an einem ZIM-For­schungs­pro­jekt mit dem Namen Anko­Therm, das vom Bun­des­mi­nis­te­ri­ums für Wirt­schaft und Kli­ma­schutz geför­dert wird. Unser tech­ni­scher Ansatz lässt sich rela­tiv ein­fach erklä­ren: Ein Heiz­kopf sen­det in den oben lie­gen­den Halb­lei­ter einen kur­zen Heiz­im­puls, der sich hier je nach Qua­li­tät der dar­un­ter befind­li­chen Ver­bin­dungs­chicht mit unter­schied­li­cher Cha­rak­te­ris­tik aus­brei­tet, was man wie­derum mes­sen kann. Wir brin­gen hier also Ener­gie ein und über­prü­fen, wann diese Ener­gie das Bau­teil wie­der ver­las­sen hat. Aller­dings reden wir hier am Ende nicht von einer ech­ten Mes­sung, bei der wir ein­zelne Werte doku­men­tie­ren. Es geht viel­mehr um eine schnelle Inspek­tion. Wir wol­len also nur wis­sen, ob die Löt- und Sin­ter­ver­bin­dun­gen rich­tig funktionieren.

Worin genau besteht die Her­aus­for­de­rung bei die­sem Ansatz?
Wir haben in den ver­gan­gen ein­ein­halb Jah­ren sehr viel Zeit in die Ent­wick­lung der Mess­an­ord­nung inves­tiert. Eine Her­aus­for­de­rung war dabei bei­spiels­weise das ein­ge­setzte Oszil­lo­skop, weil es zunächst zu viele Mess­werte gene­rierte – ein Pro­blem, das mit­hilfe des ADwin-Mess­sys­tems von Kraus Hard­ware gelöst wurde. Jetzt fal­len nur noch genau jene Mess­werte im Sys­tem an, die wir für die Kon­takt-Ther­mo­gra­fie benö­ti­gen. Aktu­ell arbei­ten wir an der Wie­der­hol­bar­keit der Mes­sun­gen. Die­selbe Probe durch­läuft also immer wie­der – bei unter­schied­li­chen Bedin­gun­gen – das Ver­fah­ren, wobei die Mess­pa­ra­me­ter jeweils über­prüft wer­den. Wir wol­len so her­aus­be­kom­men, wie lange zum Bei­spiel die Erwär­mung andau­ern muss, um sta­bile Ergeb­nisse zu bekommen.

Was sind die nächs­ten Schritte?
Ins­ge­samt gibt es sehr viele Details, die das Ver­fah­ren ent­schei­dend beein­flus­sen. Wir haben zum Bei­spiel erst mit der Zeit her­aus­ge­fun­den, mit wel­cher Kraft der Heiz­kopf inklu­sive Sen­sor auf das Modul drü­cken muss. Dar­über hin­aus geht es jetzt darum, eine Grund­lage für die nach­fol­gende Pro­duk­tion einer In-Line-fähige Prüf­ap­pa­ra­tur zu ent­wi­ckeln. Das Ganze muss also zum Bei­spiel robust und repa­rier­bar sein, um es in die Indus­trie ein­brin­gen zu kön­nen. Außer­dem ist es denk­bar, dass ver­schie­dene Lösun­gen ent­ste­hen: eine In-Line-Tech­no­lo­gie mit ver­schie­de­nen Heiz­köp­fen und eine Stand-Alone-Appa­ra­tur für den manu­el­len Gebrauch.

Wel­che Auf­ga­ben über­neh­men die ver­schie­de­nen Part­ner genau?
Buda­tec ist unter ande­rem ver­ant­wort­lich für die Kon­struk­tion und Umset­zung der Anlagen­tech­nik, die TU Dres­den eva­lu­iert die Prüf­ergeb­nisse und Kraus Hard­ware arbei­tet bei der Durch­füh­rung der Mess­rei­hen mit. Ins­ge­samt kann man sicher sagen, dass Part­ner wie Kraus Hard­ware von einem sol­chen Pro­jekt direkt pro­fi­ti­ern, denn sie bauen so ein noch grö­ße­res Ver­ständ­nis für Löt- und Sin­ter­pro­zesse auf und erwei­tern somit ihre Expertise.

Die Screen­shots zei­gen Mes­sun­gen an einer „guten“ Probe (Foto oben) und einer schlech­ten (unten). Es zeigt sich ein deut­li­cher Unter­schied in der Maxi­mal­tem­pe­ra­tur (jeweils lin­kes Dia­gramm): A1 erreicht hier­bei ca. 63°C, C2 aber ca. 76°C. Die Kurve steigt also unten deut­li­cher nach oben an, was auf eine schlech­tere Ent­wär­mung hindeutet.

ADwin-Mess­sys­tems von Kraus Hardware.

Der Heiz­kopf dient zum Auf­hei­zen des Prüf­auf­baus und anschlie­ßend zur Mes­sung der Entwärmung.

Die gesamte Mess­an­ord­nung bei der TU Dresden.

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