Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Kupferpasten für keramische Substrate
Leistungselektronische Systeme spielen bei der Versorgung mit erneuerbaren Energien und der Elektromobilität eine maßgebliche Rolle. Das Kernstück dieser Systeme bilden dabei Module, in die Leistungshalbleiter und weitere Komponenten integriert sind. Da derzeit jedoch das in der Mehrzahl der Leistungsmodule eingesetzte DCB-Substrat (Direct Copper Bond) die Integrationsdichte von Leistungsmodulen limitiert, werden zunehmend Kupferdickschichtsysteme genutzt. Am Fraunhofer IKTS sind derartige Kupferpastensysteme für die Substrattypen Al2O3 und AlN verfügbar. Über Sieb- oder Schablonendruck können 15 µm bis 300 µm dicke Kupferschichten realisiert werden, welche löt- und bondbar sind. Diese neuartigen Systeme erlauben feinere Strukturierungen durch eine hohe Druckauflösung (< 100 µm) sowie eine größere Designflexibilität als handelsübliche DCB-Substrate. Zudem zeigen sie eine höhere Zuverlässigkeit bei Temperaturwechselbeanspruchungen.
Leit- und Dielektrikumspasten zum Aufbau von Multilayer-Strukturen
Um komplexe Multilayer-Strukturen auf Kupfer-Keramiksubstrate aufbauen zu können, bedarf es weiterer Pastensysteme wie Leit- und Dielektrikumspasten. Für den Hochtemperatur- (650 °C bis 950 °C) und Niedertemperaturbereich (200 °C bis 280 °C) hat das Fraunhofer IKTS verschiedene Pastensysteme entwickelt, die perfekt auf das Kupfer-Keramiksubstrat angepasst sind und sich unter Stickstoffatmosphäre sintern lassen. So steht unter anderem eine Isolationsdickschichtpaste zur Verfügung, die für das Prozessieren elektrischer Isolationsschichten auf Kupferoberflächen von Kupfer-Dickschichten und Kupfer-DCB im Hochtemperaturbereich geeignet ist. Dabei werden basierend auf einem Barium-Zink-haltigen Glas fest haftende Glasisolationsschichten mit geringer Restporosität auf die Kupfer-Dickschichtoberflächen mittels Siebdrucks aufgebracht. Die Isolationsschichten weisen sehr gute elektrische Eigenschaften hinsichtlich Isolationswiderstand und Durchschlagsspannung auf. Isolationsschichten auf Kupferoberflächen von keramischen Verdrahtungsträgern ermöglichen damit eine Chip-nahe Sensorintegration direkt auf dem DCB-Substrat und erhöhen wesentlich die Integrationsdichte von leistungselektronischen Modulen. Dies resultiert in einer genaueren und zuverlässigeren Chipüberwachung bei gleichzeitiger Platz- und Gewichtseinsparung.
Unedle Metallisierungspasten für Thermoelemente und Heizer
Ein weiterer Forschungsschwerpunkt ist die Entwicklung von unedlen Metallisierungspasten. Unedle Metalle zeichnen sich durch niedrige Materialkosten und vorteilhafte elektrische Eigenschaften wie hohe elektrische Leitfähigkeit und sehr kleine Temperaturkoeffizienten aus. Dadurch sind sie für den Einsatz als Sensoren zur Messung von Zustandsgrößen wie Temperatur, Dehnung und Feuchte im Leistungsmodul prädestiniert. In aktuellen Arbeiten beschäftigt sich das Fraunhofer IKTS mit der Entwicklung von CuNi-Pasten und ihrer Verwendung für siebgedruckte Thermoelemente Typ T (Cu-CuNi) auf isolierten Kupferoberflächen von keramischen Verdrahtungsträgern. Es wurde bereits nachgewiesen, dass das Thermoelement für eine Temperaturmessung im Temperaturbereich von 25 °C bis 300 °C geeignet ist. Neben CuNi-Pasten liegt der Fokus auch auf der Entwicklung von NiCr-Pasten. Letztere sind ebenfalls als geeignetes Funktionsmaterial für die Herstellung von Thermoelementen oder Dehnungsmessstreifen von Interesse.
All diese neuartigen IKTS-Entwicklungen tragen wesentlich zur Funktionalisierung von DCB-Substraten bei und ermöglichen damit künftig die Herstellung von kompakten, zuverlässigen und kosteneffizienten Leistungsmodulen.