(Bild: Ekra)
Für die Herstellung von anspruchsvollen Powermodulen haben sich DCB-Substrate in den letzten Jahren zur Schlüsseltechnologie entwickelt. Der Begriff DBC (Direct Bonded Copper) oder DCB (Direct Copper Bonded) wird oftmals synonym für Kompositsubstrate aus Kupfer und Keramik verwendet, dabei steht er eigentlich für ein konkretes Fügeverfahren von Kupfer und Keramik. Die Verbindung zwischen DBC und bestücktem Bauteil wird durch aufgedruckte Lotpaste oder Sinterpaste hergestellt. Diese Verbindung ist für die Funktion des späteren Bauteils enorm wichtig und sollte optimal gestaltet werden. Daher hat sich Ekra, als Teil der Asys Group, gemeinsam mit den Partnern Rogers Corporation (DCB), Heraeus (Druckpastenentwicklung) und Christian Koenen (Siebe und Druckschablonen), mit diesem Prozess auseinandergesetzt.
. Die Verbindung zwischen DBC und bestücktem Bauteil wird durch aufgedruckte Lotpaste oder Sinterpaste hergestellt, wie die Verarbeitungskette zeigt. Asys
Hochtemperierter Bondprozess
Das Herstellen von DBC-Substraten ist ein hochtemperierter Bondprozess, bei dem reine Kupferplatten von zwei Seiten mit einer Basiskeramik verbunden werden. Die Dicke der Kupferschichten und der Basiskeramik aus Al2O3 (Aluminiumoxid) oder AlN (Aluminiumnitrid) wird aufgrund der vorherrschenden Spannungen und Isolationsanforderungen der jeweiligen Anwendung gewählt. Die Keramik wird möglichst dünn gehalten, um die Wärmeleitfähigkeit des Kupfers voll zu nutzen. Die Kupferschicht ist in Dicken von 0,127 mm bis einschließlich 0,6 mm erhältlich.
Der Trend geht zu dickeren Schichten, da diese eine bessere Wärmeverteilung und eine höhere Strombelastbarkeit erzielen. Für Kupferdicken ab 0,6 mm wird das AMB-Verfahren (Active Metal Braze) eingesetzt, da diese Aktivlotverbindung deutlich erhöhte Temperaturwechselbeständigkeiten zeigt und die erhöhten Spannungen im Substrat besser kompensieren kann. In diversen nasschemischen Schritten wird anschließend das Layout in die Kupferschicht geätzt. Ein kleiner, aber nennenswerter Teil der DBC-Substrate erhält abschließend eine Oberflächenveredelung, meist zur Verbesserung von Benetzung oder Haftung der Materialien in den Folgeschritten. Hierzu wird das DBC nasschemisch in einem Tauchbad mit Silber, Nickel oder Nickel-Gold beschichtet. Durch den wachsenden Einsatz von Silber-Sinterpasten wird vermehrt die Versilberung der DBC interessant, um eine höhere Scherfestigkeit und Haltbarkeit der Paste zu erreichen. Auch eine Teilversilberung ist möglich, um auf unterschiedliche Haftungseigenschaften von Druckpaste und beispielsweise Bonddrähten und Vergussmassen einzugehen.
Temperaturen und Strömen trotzen
Die Anwendungsbereiche der DBC-Substrate gehen von Automotive bis Windkraftanlagen und gelegentlich bis zur Sensorik. Also überall dort, wo Module in großen Temperaturbereichen und unter sehr hohen Strömen und Strompulsen dauerhaft funktionstüchtig bleiben müssen. Sie finden sich beispielsweise in IGBT- oder Mosfet-Transistormodulen oder in Frequenzumrichtern wieder. Mit einem Wärmeausdehnungskoeffizienten nahe dem von Silizium eignen sie sich für Chip-on-Board-Verbindungen. Die beim Schalten der Bauteile erzeugte Wärme muss über das Substrat abgeführt werden, was durch die hohe Wärmeleitfähigkeit der Keramik, kombiniert mit der hohen Wärmekapazität und Wärmespreitung des Kupfers, möglich wird.
Ohne DCBs wird es schwer
DCBs sind vor allem in der Leistungselektronik nicht mehr wegzudenken. Obwohl eine etablierte Technik, stellen DCB-Substrate in der automatisierten Verarbeitung doch noch Herausforderungen dar. Im Verbund mit Heraeus, Roger und Christian Koenen, haben sich Asys und Tochter Ekra mit dem Prozess auseinandergesetzt. Im besonderen Fokus standen dabei die Kanten der DCB-Substrate, die ein gewisses Verschleißpotenzial bieten, und die Durchbiegungen, die abhängig von Format und Materialstärke der DBC in unterschiedlicher Ausprägung auftreten. Das umfangreiche Boardhandling-Portfolio von Asys und das Optilign-System im Ekra-Drucker bieten im DCB-Bestückprozess Abhilfe.
Neben dem Druckprozess deckt das Boardhandling-Portfolio der Asys Group die gesamte Linienverkettung, inklusive Be- und Entladung, für den Einsatz in DCB-Bestücklinien ab. Durch entsprechende Optionen lassen sich Module für die spezifischen Anforderungen der DCB-Verarbeitung anpassen. Für die Parallelisierung von Bondstrecken gibt es verschiedenste anpassbare Lösungen wie Überkopf- und seitliche Bypass-Strecken.
Um die Traceability bei der Produktion von DCB-basierten Schaltungen sicherzustellen, müssen die Seriennummerncodes in unterschiedlichste Oberflächen eingebracht sein: in Lötstopplack, Kupfer oder galvanisierte Oberflächen. Lasermarkiersysteme von Asys lassen sich deshalb mit verschiedenen, auf die jeweilige Anwendung zugeschnittenen Strahlquellen ausstatten, um Traceability-Codes oder Fail-Markierungen zu applizieren.
Herausforderung der Automatisierung
Da die Kanten der DBC-Substrate – wie alle Keramikkanten auch – beim Direkttransport ein gewisses Verschleißpotenzial an den Transportwangen bieten, muss dem entgegengewirkt werden. Das gleiche gilt für die Durchbiegungen (Bows), die abhängig von Format und Materialstärke der DBC in unterschiedlicher Ausprägung auftreten. Über die Diagonale einer Großkarte können sie durchaus 1,5 mm bis 2 mm betragen.
Bei der Herstellung lassen sich Anpassungen zum Reduzieren vornehmen, und die verbleibenden Durchbiegungen müssen die Prozessanlagen mit Substrataufnahmen und Saugern eliminieren. Dies erzeugt Spannungen im Substrat, die schlimmstenfalls zum Bruch führen können. Quasi nebenbei muss während des gesamten Produktionsprozesses eine Oxidation der Kupferoberfläche verhindert werden, um die problemlose Funktion des späteren Bauteils sicherzustellen. Hierzu gilt es, die Temperatur und Luftfeuchtigkeit im Produktionsraum zu überwachen.
Aufgrund der effizienteren Verarbeitung kommen momentan in rund 70 Prozent der Industrie Großkarten zum Einsatz. So lassen sich mehrere Einzelnutzen in einem festen Verbund verarbeiten, was die Handlingszeiten reduziert. Rogers produziert DBC in 5,5 x 7,5 Zoll großen Großkarten und ritzt Sollbruchstellen für die Vereinzelung mit einem Laser vor. Der Kunde kann die Substrate direkt im Werk brechen lassen oder die Großkarten verarbeiten und später vereinzeln. Aktuell entwickelt sich jedoch der Trend zur Verarbeitung vorvereinzelter DBCs in einem Werkstückträger. Dies reduziert nicht nur den mechanischen Stress und die Anzahl der Vorschädigungen der bruchempfindlichen Keramiken, sondern ermöglich gleichzeitig, defekte Schaltungen gar nicht erst durch die Wertschöpfungskette zu bewegen.
Der Prozess der Vereinzelung ist naturgemäß mit Verlust behaftet; erfolgt dieser beim Vereinzeln vor der Bestückung, verliert man nur den Wert der DCB-Leiterkarte an sich und nicht den der wertgeschöpften, sprich bestückten Schaltung. Anlagen von Asys/Ekra ermöglichen ein Prozessieren sowohl der Großkarten direkt oder im Warenträger (Carrier), als auch der vereinzelten Substrate im Mehrfachcarrier. Mit dem Optilign-System lassen sich Einzel-DBC in einem Mehrfachcarrier transportieren, über einen Saugstempel einzeln ausrichten und wieder gemeinsam bedrucken. Auf diese Weise ist es möglich, sowohl den Zeitvorteil, wie bei Großkarten, als auch die höhere Genauigkeit und das geringere Bruchrisiko der Einzelteilfertigung zu nutzen.
Beispiel für eine automatisierte Kantenerkennung im Drucker. Ekra
Erkennung mit Fiducialkameras
In den Schablonendruckern von Ekra wird die Lage jedes Substrates über ein Kamerasystem erfasst und automatisch auf eine Sollposition ausgerichtet. Registriert wird eine bestimmte Geometrie (Fiducialmarke), Struktur oder eine Kante in Form eines Hell-Dunkel-Übergangs. Die reproduzierbare Erkennung von DBC erfordert diverse Einstellmöglichkeiten, da ihre Oberflächenstruktur sich stark unterscheiden kann. Abhängig von der Herstellung kann das Kupfer grob- oder feinkörnig erscheinen, Nachbehandlungen machen es glänzend oder matt. Ein Veredelungsschritt kann die Farbe und Struktur ebenfalls verändern. Eine Mischung dieser Oberflächenstrukturen in der Produktion ist nur eingeschränkt möglich, da sie unterschiedlich reflektieren und meist ein individuell angepasstes Programm benötigen.
Das Einbringen von Fiducialmarken bei der DBC-Herstellung stellt prinzipiell kein Problem dar, jedoch sollte beachtet werden, dass der Ätzprozess Strukturen generell verrundet. Daher sind Kreismarken reproduzierbarer herstellbar als Quadrate. Zudem kann der Ätzprozess keine 90-Grad-Flanke erzeugen. Es entstehen Strukturen mit schrägen Flanken und einer Größendifferenz von oberer zu unterer Seite. Aufgrund dessen sind Negativmarken meist besser erkennbar als Positivmarken. Da die Ätzflanke ausgeprägter wird, je dicker die Kupferschicht ist, müssen auch die Strukturgrößen und -abstände, auch von Fiducials, größer angelegt sein.
Gelegentlich kann der Verzicht auf Fiducialmarken die Größe des Einzelsubstrates so reduzieren, dass auf jeder Großkarte eine weitere Reihe des Einzellayouts Platz findet. In solchen Fällen kann die Eignung für eine Kantenausrichtung im Drucker geprüft werden, um Materialkosten zu sparen. Meist ist eine Ausrichtung an der Keramikkante oder an der Oberseite der Kupferkante möglich. Die Ausrichtung auf Teilversilberungen ist prinzipiell möglich, jedoch meist in der Reproduzierbarkeit eingeschränkt, da die Qualität der Silberkante nicht ausreichend stabil ist. Da-rum ist es notwendig, die Optionen für jedes Produkt individuell zu prüfen.
Damit endet der erste Teil. Im zweiten Teil wird auf die Auswahl des Verfahrens eingegangen, da dieses maßgeblich von den benötigten Schichtdicken und Oberflächeneigenschaften des Druckes abhängt.
Sandra Röckl
Reiner Beck
(hw)
