Kraus Hardware beteiligt an Forschungsprojekt
Für die großvolumige Serien-Produktion von Leistungsmodulen für elektrische Antriebe und Umrichter für erneuerbare Energien könnte die sogenannte Kontakt-Thermografie unverzichtbar werden: Das neue Verfahren ermöglicht ihren sekundenschnellen Funktionstest. Aktuell wird die Kontakt-Thermografie im Rahmen eines Forschungsprojekts weiterentwickelt. Kraus Hardware ist mit an Bord.
„Mit der Kontakt-Thermografie eröffnen sich für uns große Chancen im Bereich der Elektromobilität “
Die Nachfrage nach Leistungselektronik steigt derzeit massiv an – kein Wunder: Hinter gesellschaftlichen Megathemen wie der Energiewende und der Zunahme der Elektromobilität stehen letztlich gewaltige Produktionsmengen in den dazugehörigen Branchen. Interessanterweise ändern sich dabei auch die verwendeten Werkstoffe. Das betrifft zum einen das Halbleitermaterial: Bei vielen Leistungsmodulen kommen verstärkt Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz. Auf diese Weise lassen sich höhere Schaltfrequenzen bei niedrigeren Verlusten realisieren. Zum anderen werden die Substrate dieser Leistungsmodule häufig auf Basis von Keramik und Kupfer hergestellt (DCB-Substrate – Direct Copper Bonding). Vorteil hier: Der Werkstoff führt die entstehende Wärme sehr schnell ab, was Schäden an den Modulen verhindert.
Auf der Suche nach dem Prüfverfahren
Bleibt an dieser Stelle die Frage, wie nun aber die Schnittstellen zwischen den „neuen“ Halbleitern und dem DCB-Substrat aussehen – vor allem, weil man dabei eine ebenso gute elektrische und thermische Leitfähigkeit erreichen muss. Aktuell kommen deshalb zumeist Lötverbindungen und Silber-Sinterverbindungen zum Einsatz. Von ihrer Qualität hängt die Funktionalität und Zuverlässigkeit der gesamten Baugruppe mit ab. In der Folge wird die schnelle Überprüfung dieser Qualität im Rahmen von großvolumigen Produktionsprozessen aber zu einem entscheidenden Faktor. Und hier zeigt sich ein bislang ungelöstes technisches Problem: Herkömmliche Prüfverfahren wie das Röntgen oder die Ultraschallmikroskopie sind dafür nicht geeignet, denn beim Sintern entsteht keine homogene Schicht. Folglich liefert sie auch kein gutes Kontrastsignal, aus dem man auf einen qualitätsgerechten Sinterprozess schlussfolgern könnte. Im Übrigen eignet sich die Ultraschallanalyse generell nur bedingt für die In-Line-Inspektion.
Sekundenschnelle Messung
An dieser Stelle kommt nun ein größeres Forschungsprojekt ins Spiel, an dem neben Kraus Hardware auch die budatec GmbH und das Zentrum für mikrotechnische Produktion an der TU Dresden beteiligt sind. Seine Zielsetzung: die sogenannte Kontakt-Thermografie in eine neue Prüfapparatur zu überführen und das Ganze anschließend in einem seriellen industrielen Produktionsprozess zu testen. Das Projekt wird vom Zentralen Innovationprogramm Mittelstand (ZIM) gefördert und basiert auf den Arbeiten des ZIM-Projekts „Dynatherm“, in dem die Kontakt-Thermografie erdacht und labortechnisch untersucht wurde. Was genau verbirgt sich hinter diesem neuen Verfahren? Das sind seine zentralen Teilprozesse:
- Eine miniaturisierte Heizstruktur wird an den gelöteten oder gesinterten Leistungshalbleiter angekoppelt und anschließend ein kurzer Heizimpuls eingebracht.
- Je nach Qualität der Verbindungschicht unter dem Halbleiter breitet sich dieser Heizimpuls mit verschiedenen Charakteristiken aus.
- Diese Ausbreitung wirkt sich auf die elektrischen Eigenschaften der Heizstruktur aus, was sich messen lässt. Der Messvorgang dauert nur rund eine Sekunde.
Kraus Hardware vergrößert Mess-Expertise
In dem ZIM-Projekt geht es nun darum, eine In-Line-fähige Prüfapparatur zu entwickeln und in der Produktion zu testen. Dabei ist Budatec verantwortlich für alle Arbeiten zur Konstruktion und Umsetzung der Anlagentechnik, der Optimierung der Sensoren und der Durchführung von Messreihen. Die TU Dresden optimiert den eingesetzten Sensorkopf und evaluiert die Prüfergebnisse. Kraus Hardware entwirft und konstruiert die Ansteuer- und Auswerteelektronik und arbeitet unter anderem bei der Durchführung der Messreihen mit. „Wir freuen uns sehr auf diese Aufgabe“, erklärt Andreas Kraus, Gesellschafter von Kraus Hardware. „Mit der Kontakt-Thermografie eröffnen sich für uns große Chancen im Bereich der Elektromobilität und der elektrischen Antriebe sowie im großen Anwendungsfeld der erneuerbaren Energien. Hier könnte das Verfahren in vielfacher Weise zum Einsatz kommen. Zugleich bauen wir ein noch größeres Verständnis für Löt- und Sinterprozesse auf und erweitern unsere Expertise in der Mess‑, Steuer und Regelungstechnik sowie der Messdatenanalyse. Das ist für unsere Unternehmensentwicklung von großer Bedeutung.“
Aufbau der Prüfanordnung
Röntgenbild eines gefügten IGBTs mit sehr schlechter Lötqualität