Projekt INNO-MODUL. Innovative Aufbautechnologie für elektronische Hochleistungsmodule in Fahrzeugen durch thermisches und kinetisches Spritzen. Abschlussbericht

Im Rahmen des Projektes wurden neue Konzepte entwickelt, um Bauteile für Hochleistungselektronik durch thermisches Spritzen und Kaltgasspritzen aufzubauen. Herausforderungen bestanden darin, (1) durch thermisches Spritzen möglichst phasenreine und durchschlagfeste AI 2O 3-Schichten herzustellen, (2) durch Kaltgasspritzen Kupferschichten hoher elektrischer Leitfähigkeit auf die Keramikschicht anzubinden und (3) Leiterbahnstrukturen durch geeignete Masken abzubilden. Zusätzlich wurden Möglichkeiten dargestellt, um Verspannungen von Bauteilen durch geeignete Schichten zu kontrollieren oder auch thermische Ausdehnungskoeffizienten anzupassen. Anhand von jeweilig hergestellten Demonstratoren konnte aufgezeigt werden, mit welchem technischen Aufwand die genannten Ziele realisiert werden können. Im Hinblick auf möglichst hohe Durchschlagfestigkeiten und eine chemische Beständigkeit sollten thermisch gespritzte Al 2O 3-Schichten hohe Anteile der a-Struktur und nach Möglichkeit keinerlei leitfähige Bestandteile aufweisen. Im Rahmen des Projektes wurde nachgewiesen, dass thermisch gespritzte Schichten auf Basis modifizierter oder mit Cr 2O 3 auflegierter Al 2O 3-Pulver meist reduzierte Phasenanteile und damit zu geringe Durchschlagfestigkeiten aufweisen. Die geforderten Eigenschaften der Isolationsschicht konnten nur durch Suspensions-Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen (SHVOF) hergestellt werden. Hierfür wurden geeignete Suspensionen entwickelt und stabilisiert; die gewünschten Schichteigenschaften wurden schließlich durch Anpassung des SHVOF Prozesses eingestellt. Infolge des Pulverpartikelaufpralls im festen Zustand und der kurzen Zeitskalen weien kaltgasgespritzte Kupferschichten typischerweise elektrische Leitfähigkeiten vergleichbar zu denen des Massivmaterials auf. Der Aufbau von gut haftenden Schichten auf SHVOF gespritzten Al 2O 3 Schichten erfordert in Folge gebundener Adsorbate allerdings eine hinreichende Oberflächenaktivierung. Zudem muss eine Schädigung der Keramikschicht ausgeschlossen werden. Im Rahmen des Projektes wurde nachgewiesen, dass für hinreichend hohe elektrische Leitfähigkeiten von über 90 % IACS erforderliche Kaltgasspritzbedingungen nur auf geheizten Substraten zu realisieren sind. Eine Verwendung von Aluminium-Zwischenschichten würde thermische Nachbehandlungen erfordern und wäre auch in Folge separater Beschichtungssequenzen ökonomisch auszuschließen. Die Studien zur Verwendung von Spritzmasken beim Kaltgasspritzen zeigen, dass minimale Leiterbahnbreiten und Abstände von 0,7 mm, bzw. 1,0 mm eingestellt werden können. Maskenmaterialien sollten eine ausreichende Stabilität aufweisen und ausschließen, dass abgeplatzte Teile den Aufbau der Leiterbahn beeinträchtigen. Orientierende Versuche zeigen, dass durch Kaltgasspritzen auch Cu-W- oder Cu-Mo-Komposit-Schichten mit W- oder Mo-Anteilen von soweit etwa 30 Vol. % aufgebaut werden können. Eine Abstimmung thermischer Ausdehnungskoeffizienten oder auch der in Substrate einbrachten Eigenspannungen erfordert allerdings weiteren Forschungsbedarf. Im Hinblick auf fertigungstechnische Aspekte wurden im Rahmen des Projektes Demonstratoren für (1) Diodenchips der Lichtmaschine (Cu auf Al 2O 3Schicht; Bosch), (2) Leistungsmodule für die elektronische Lenkung (Cu auf Al 2O 3-Schicht; Danfoss), (3) Laserdiodenmodule (Laserline) mit (a) SHVOF-gespritzten Al 2O 3-Schichten und (b) kaltgasgespritzten Cu-W-Schichten und (4) eine Bodenplatte zum Auflöten von Schaltelementen (Danfoss) hergestellt. Die Demonstratoren erfüllen prinzipiell die gewünschten Funktionen. Für eine weiterführende Entwicklung ist sinnvoll, die Integration von Spritztechniken in Fertigungsprozesse von elektronischen Bauteilen ganzheitlich vom Design ausgehend bis hin zu möglichen Nacharbeiten zu berücksichtigen. Das Bauteillayout sollte auf mögliche Verspannungen abgestimmt werden. Zudem sind Schaltpläne hinsichtlich minimaler Nacharbeiten zu optimieren.

In this project, new concepts for the assembly of high power electronic modules by thermal and kinetic spraying were developed. The challenges were (1) to build up Al 2O 3-coatings with pure phase composition and high dielectric strength by thermal spraying, (2) to bond cold-sprayed Copper coatings with high electrical conductivity on the ceramic coatings and (3) to produce conductive paths by suitable templates. In addition to this, possibilities to control stresses of components by adapted coatings or by adjusting thermal expansion coefficients were examined. The new assembly technique was evaluated with respect to the technical effort for implementation by producing prototypes of several electrical components.