Diffusion Soldering for the High-temperature Packaging of Power Electronics

Diffusionslöten für die Hochtemperatur Packaging der Leistungselektronik

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-105568
  • With advances in the new generation semiconductor materials and ever-increasing requirements for reliable power electronic modules at elevated temperatures, a major limitation is the lack of qualified high-temperature device-level packaging. This work gives an overview of optimization and evaluation of Cu-Sn based Transient Liquid Phase Soldering (TLPS), a variant of diffusion soldering to implement as a high-temperature die-attach technique for power electronics production with high level of flexibility and customization. The TLPS interconnects with enriched ƞ-Cu6Sn5 Intermetallic phase bondline were realized successfully with optimized temperature profiles. A comprehensive analysis wasWith advances in the new generation semiconductor materials and ever-increasing requirements for reliable power electronic modules at elevated temperatures, a major limitation is the lack of qualified high-temperature device-level packaging. This work gives an overview of optimization and evaluation of Cu-Sn based Transient Liquid Phase Soldering (TLPS), a variant of diffusion soldering to implement as a high-temperature die-attach technique for power electronics production with high level of flexibility and customization. The TLPS interconnects with enriched ƞ-Cu6Sn5 Intermetallic phase bondline were realized successfully with optimized temperature profiles. A comprehensive analysis was performed on the process-related issues of voids for the selected soldering technique and warpage for components of varying dimensions and metallizations. Further the quality of the produced joints was evaluated by thermo-mechanical loading followed by the characterization of thermal and mechanical stability. The applicability is checked with product and technology case studies and an outlook is given with comparison of the investigated production concepts.show moreshow less
  • Mit Fortschritten in der neuen Generation von WBG-Halbleitermaterialien und ständig steigenden Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Leistungselektronikmodulen bei erhöhten Temperaturen ist eine wesentliche Einschränkung der Mangel an hochtemperaturtauglicher Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Bewertung und Optimierung von Cu-Sn basiertem Transient Liquid Phase Soldering (TLPS, eine Variante des Diffusionslötens) als Verbindungstechnik mit hoher Prozessflexibilität und Designanpassung in der Leistungselektronik einzusetzen. Im Rahmen der Arbeit wird eine neuartige Fügezone basierend auf der ƞ-Cu6Sn5 intermetallischen Phase mit optimierte thermischeMit Fortschritten in der neuen Generation von WBG-Halbleitermaterialien und ständig steigenden Anforderungen an die Zuverlässigkeit von Leistungselektronikmodulen bei erhöhten Temperaturen ist eine wesentliche Einschränkung der Mangel an hochtemperaturtauglicher Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Hauptziel dieser Arbeit war die Bewertung und Optimierung von Cu-Sn basiertem Transient Liquid Phase Soldering (TLPS, eine Variante des Diffusionslötens) als Verbindungstechnik mit hoher Prozessflexibilität und Designanpassung in der Leistungselektronik einzusetzen. Im Rahmen der Arbeit wird eine neuartige Fügezone basierend auf der ƞ-Cu6Sn5 intermetallischen Phase mit optimierte thermische Profile untersucht. Eine umfassende Analyse wurde für prozessbezogene Defekte bezüglich Fehlstellen für die gewählte Löttechnik und Verwölbung für Komponenten unterschiedlicher Abmessungen und Metallisierungen durchgeführt. Die Qualität der erzeugten Verbindungen wurde durch thermomechanische Stabilitätsuntersuchungen verifiziert. Die Anwendbarkeit war anhand von Produkt- und Technologie-Fallstudien überprüft und mit einem Vergleich der untersuchten Produktionskonzepte zusammengefasst.show moreshow less

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Metadaten
Author:Aarief Syed-Khaja
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-105568
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-163-8
ISBN:978-3-96147-163-8
Series (Volume number):FAU Studien aus dem Maschinenbau (315)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Editor:Jörg Franke, Nico Hanenkamp, Marion Merklein, Michael Schmidt, Sandro Wartzack
Referee:Jörg Franke, Bertram Schmidt
Advisor:Jörg Franke
Document Type:Doctoral Thesis
Language:English
Year of Completion:2018
Embargo Date:2019/02/20
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/12/04
Release Date:2019/02/27
Tag:diffusion soldering; electronics packaging; high-temperature die-attach; intermetallic phases; power electronics; process optimization; soldering; transient liquid phase soldering
SWD-Keyword:Diffusionslöten; Verbindungstechnik; Prozessoptimierung; Leistungselektronik; Hochtemperatur; Intermetallische Verbindungen; Löten
Pagenumber:x, 202 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-162-1
Original publication:mb.fau.de/diss
Institutes:Technische Fakultät / Department Maschinenbau
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 60 Technik / 600 Technik, Technologie
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 67 Industrielle Fertigung / 671 Metallverarbeitung und Rohprodukte aus Metall
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - CC BY-NC - Namensnennung - Nicht kommerziell 4.0 International