Leistungsmodule: Wie ein Reinigungsprozess den Yield erhöht

Welche Herausforderungen gibt es bei der Fertigung von Leistungsmodulen?

Leistungsmodule wie IGBT-Module, Siliciumcarbid (SiC)-MOSFET-Module oder Halbbrücken sind integraler Bestandteil der Automobil- und Industriebranche. Die Fertigung dieser Module ist jedoch keineswegs trivial. Um die Qualität der Module über den kompletten, sehr komplexen Produktionsprozess hinweg sicherzustellen und dabei einen möglichst hohen Yield zu erzielen, kann ein genauer Blick auf die einzelnen Produktionsschritte, die jeweilige Aufbau- und Verbindungstechnologie und die entsprechenden Anforderungen an die Oberflächen der Teile helfen, die Prozesse zu optimieren und den Ausschuss zu verringern.

Wie beeinflussen Oberflächenrückstände den Fertigungsprozess?

Jeder Verbindungsprozess wie Sintern oder Löten und jeder nachfolgende Prozessschritt wie Drahtbonden oder Molden stellt besondere Anforderungen an die Oberflächenbeschaffenheit. Rückstände wie Flussmittel, Partikel, Oxide oder Organik können diese Prozesse beeinflussen und die Qualität bzw. Ausbeute beeinträchtigen.

Zu Beginn der Wertschöpfungskette mag ein gewisser Ausschuss noch wirtschaftlich vertretbar sein, sobald die Produktion jedoch fortgeschritten ist und die Module bereits weitestgehend aufgebaut sind, bedeuten Ausfälle hohe Verluste.

Wie sorgt ein Reinigungsprozess für konstant hohe Qualität von Leistungsmodulen?

Ein Reinigungsprozess kann an verschiedenen Stellen in der Produktion helfen, die Anforderungen an die Oberflächen zu erfüllen und dadurch zuverlässige Prozesse und eine konstant hohe Qualität sicherzustellen.

Im Folgenden wird daher auf einzelne Produktionsschritte und deren Anforderungen sowie die Möglichkeiten der Reinigung genauer eingegangen. Dabei liegt der Fokus auf den klassischen Si-IGBT bzw. SiC-MOSFET-Modulen sowie den sogenannten Halbbrücken.

Die Produktionsschritte von Leistungsmodulen und ihre Herausforderungen

Bei der Herstellung von Leistungsmodulen jedweder Art ist der erste wesentliche Prozess, der hier betrachtet werden soll, der Die Attach. Während früher standardmäßig gelötet wurde, begegnet man heute neben diesem klassischen Lötprozess mit Pasten und Preforms auch Sinterprozessen mit speziellen Sinterpasten.

Wird beim Die Attach gelötet, verbleiben Rückstände aus dem Lötprozess auf den Chips und Substratoberflächen, wie etwa Flussmittelspritzer. Kupfersubstrate gehen unterschiedlich stark oxidiert aus dem Prozess hervor (s. Abb. 1, links). Dies hat negative Auswirkungen auf nachfolgende Prozessschritte. So beeinträchtigen beispielsweise verbleibende Flussmittelspritzer und organische Rückstände auf den Substrat- und Chipoberflächen die Qualität und Zuverlässigkeit von Drahtbonds.

Warum ist eine saubere Oberfläche beim Drahtbonden entscheidend?

Insbesondere bei Si-IGBT bzw. SiC-MOSFET Modulen werden nach dem Die Attach im nächsten Schritt die elektrischen Verbindungen durch Drahtbonden mit Aluminium-, Kupfer-, Gold- oder Silberdrähten hergestellt. Damit die Bondverbindung allen Anforderungen Stand hält, ist eine saubere, entoxidierte und aktivierte Kupferoberfläche vor dem Bondvorgang notwendig. Rückstände und Oxidschichten aus einem vorangegangenen Lötprozess sind hier besonders kritisch, da sie zu mangelhafter Qualität der Drahtbondverbindungen führen (s. Abb. 2). Einerseits kann dies zu einer unnötig hohen Bondleistung und dadurch zu Bondbrüchen und sogar Chipdefekten, wie dem so genannten „Cratering“ führen, andererseits kann es aufgrund einer unzureichenden Verbindung zwischen Bond und Substrat zu Lift-offs kommen.

Welche Rolle spielt die Reinigung bei der Herstellung von Halbbrücken?

Bei der Herstellung von Halbbrücken werden die Module nach dem Die Attach mit Stanzgittern/Terminals verbunden. Danach folgen der Transfer Mold und das Aufbringen des Moduls auf einen Kühlkörper. Vor jedem dieser Schritte ist es wichtig, dass die Oberflächen der Komponenten und Substrate sauber und frei von Rückständen aus vorangegangenen Löt- oder Produktionsprozessen sind. Dies gilt auch für zugekaufte Komponenten, wie beispielsweise Stanzgitter oder Kühlkörper. Nur so kann eine qualitativ hochwertige und zuverlässige Verbindung der Substrate und Komponenten gewährleistet werden.

Wie kann der Reinigungsprozess die Zuverlässigkeit beim Verguss verbessern?

Im Unterschied zur Halbbrücke werden Si-IGBT bzw. SiC-MOSFET Module in der Regel nach dem Drahtbonden auf einen Kühlkörper aufgebracht, worauf ein Verguss mit Silikon oder Epoxy-Compounds folgt, um das Modul vor äußeren Einflüssen zu schützen. Um zu gewährleisten, dass der Verguss zuverlässig haftet und es keine Schadstellen oder Delamination gibt, müssen auch hier die Oberflächen vor dem Verguss frei von Verunreinigungen und Oxiden sein und sich in einem aktivierten Zustand befinden.

Je näher der Fertigungsprozess der Serienfertigung kommt, desto schwerer wiegen Fehler aufgrund unzureichender Oberflächenqualität oder -haftung und desto höher sind der Ausschuss und die damit verbundenen Kosten. Reinigen kann diese Risiken verringern.

Wie optimiert ein Reinigungsprozess den Fertigungsablauf?

Ein Reinigungsprozess ist meist etwas, das Kunden gerne vermeiden möchten. Er erfordert spezielles Know-how, kostet Zeit und Geld – Investitionen, die man sich lieber ersparen würde.

Andererseits kann ein speziell auf die jeweilige Anforderung abgestimmter Reinigungsprozess in der Leistungsmodulfertigung dabei helfen, den Ausschuss signifikant zu mindern und dadurch Verluste zu reduzieren. So kann er verhindern, ein fast fertig aufgebautes und mit hohen Kosten verbundenes Modul z.B. aufgrund mangelnder Moldhaftung verwerfen zu müssen.

Wie stellt ein Reinigungsprozess optimale Oberflächen für weitere Prozessschritte sicher?

Alle oben beschriebenen Schritte in der Wertschöpfungskette eines Leistungsmoduls haben etwas gemeinsam: Bei allen geht es um die Anforderung, rückstands- und oxidfreie Oberflächen sicherzustellen und die Teile optimal auf nachfolgende Prozesse vorzubereiten, um deren Qualität zu gewährleisten.

Ein Reinigungsschritt kann diese Anforderungen erfüllen und an verschiedenen Stellen im Produktionsprozess eingesetzt werden. Speziell auf die Leistungsmodule und die vorangehenden sowie nachfolgenden Prozesse abgestimmt, kann ein Reinigungsprozess Rückstände aus Aufbau- und Verbindungsprozessen, wie Flussmittel, Organik oder filmische Verunreinigungen entfernen. Außerdem kann er Oberflächen, vor allem Kupfersubstrate, entoxidieren, sowie vor erneuter Reoxidation schützen (s. Abb. 1 (rechts), 2 (rechts) und 3).

Somit sorgt ein speziell abgestimmter Reinigungsprozess für die nötige Sauberkeit und die erforderlichen Oberflächeneigenschaften für nachfolgende Prozesse. Ein Reinigungsprozess kann sicherstellen, dass nachfolgende Verbindungsschritte, wie z.B. die Verbindung von Modul und Kühlkörper einwandfrei gewährleistet sind. Gleichermaßen erhöht er die Qualität und Ausbeute beim Transfer Mold, Drahtbonden und Verguss.

Doch welcher Reiniger sollte für Leistungsmodule verwendet werden? Die Auswahl an Reinigern für elektronische Baugruppen ist groß, aber nicht jeder Reiniger eignet sich auch für Leistungsmodule. Im Folgenden werden die speziellen Anforderungen an Reiniger für Leistungselektronik beschrieben.

Was zeichnet einen guten Leistungselektronik-Reiniger aus?

Betrachtet man die erfolgreichsten Reinigungsprozesse für Leistungsmodule im Markt, stehen bei den Reinigern im Wesentlichen folgende drei Eigenschaften im Vordergrund.

Wasserbasierende Technologie

Wasserbasierende Reiniger haben sich heute als Standard etabliert. Sie bieten ein breites Leistungsspektrum für die Entfernung verschiedenster Verunreinigungen bei gleichzeitig hoher Arbeitssicherheit. Konzipiert als Konzentrate, können für Kunden individuell optimale Einsatzkonzentrationen ermittelt werden. Für die spezifischen Anforderungen bei der Reinigung von Leistungsmodulen sind z.B. die Produkte der VIGON^® PE-Serie entwickelt worden. Abhängig vom Fall und den jeweiligen Anforderungen kann hier auf pH-neutrale oder alkalische Medien zurückgegriffen werden.

Materialverträglichkeit

Ein guter Reiniger für Leistungsmodule garantiert neben einer profunden Reinigungsleistung auch eine exzellente Materialverträglichkeit mit allen Bestandteilen der Module. Während Verunreinigungen und Oxide entfernt werden müssen, dürfen sensible Metallisierungen und vor allem Chipoberflächen und -passivierungen nicht angegriffen werden.

Reinigungsleistung

Ein auf die Anforderungen abgestimmter Reiniger entfernt Flussmittelrückstände nach dem Löten, organische Verunreinigungen sowie filmische Rückstände aus anderen vorangegangenen Prozessen. Zudem sorgt er für eine zuverlässige Entoxidation und Aktivierung der Substrate, insbesondere der Kupferoberflächen, und schützt zudem über einen definierten Zeitraum vor Reoxidation. Somit bereit er die Oberflächen optimal für nachfolgende Prozessschritte wie Drahtbonden, Molden oder Sintern vor.

Ein passender Reiniger ist jedoch nur die halbe Miete.

Der richtige Partner für den optimalen Prozess

Ein optimaler Reinigungsprozess besteht aus drei zusammenspielenden Komponenten. Zum einen aus dem passenden Leistungselektronikreiniger und zum anderen aus der Reinigungsanlage, die auf die Anforderungen der Leistungsmodule und den ausgewählten Reiniger abgestimmt sein muss. Als drittes ist die passende Prozesskontrolle inkl. Badüberwachung zu nennen, die idealerweise vollautomatisch in die Anlage integriert sein sollte. Je nach geplantem Produktionsdurchsatz und Investitionskosten kommen Batch- oder Inlineanlagen mit Spritz-, Tauch- oder Ultraschallreinigung in Frage.

Bei der Auswahl eines solchen Reinigungsprozesses sollte man auf einen Partner mit langjähriger Erfahrung in diesem Bereich zurückgreifen, der neben den Reinigungsmöglichkeiten auch die nötige Expertise in der Fertigung und Qualifizierung von Leistungselektronik mitbringt. Die erfahrenen Prozessingenieure von Zestron helfen, einen maßgeschneiderten Prozess für Leistungsmodule zu entwickeln. Für die Überprüfung der Oberflächeneigenschaften stehen uns viele analytischen Möglichkeiten zur Verfügung.