Simulation des Infiltrationsprozesses beim Diffusionsloten

摘要

Die Anforderungskataloge fur die Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronischer Module der nachsten Generation beinhalten eine erhohte Stromtragfahigkeit bzw. eine erhohte Stabilitat unter thermo-mechanischen Lasten. Heruntergebrochen auf vorhandene Fugeschichten, wie z.B. die Substratanbindung von Leistungshalbleitern, bedeutet dies, dass Alternativen zu den gegenwartig Verwendung findenden bleihaltigen bzw. -freienWeichloten notwendig werden. Konkret stellt das Flussigphasen-Diffusionsloten (HotPowCon Technologie) eine Alternative mit einer bezuglich der oben genannten Anforderungen sehr hohen Leistungsfahigkeit dar. Das Prinzip des Diffusionslotens besteht darin, eine Lotschmelze in eine porose Kupfermatrix zu infiltrieren und intermetallische Phasen zwischen Lot und Kupfer entstehen zu lassen, die hohe thermo-mechanische Stabilitat der Fugeschicht auch bei weit uber die Schmelztemperatur der Lotlegierung hinausgehenden Einsatztemperaturen gewahrleisten. Eine Simulation des Infiltrationsprozesses erfordert die Modellierung von Fluid-, bzw. Benetzungsdynamik in geometrisch komplexen Strukturen, was mit herkommlichen CFD-Methoden nur unter sehr grossem numerischem Aufwand moglich ist. Demgegenuber ist die Lattice-Boltzmann Methode, die einen indirekten Losungsansatz fur die Navier-Stokes Gleichungen darstellt, ein numerisch viel effektiverer Modellierungsansatz. Inhalt des Beitrages ist die Entwicklung einer Simulationsmethodik fur den Infiltrationsprozess beim Diffusionsloten basierend auf der Lattice-Boltzmann Methode. Sie ist geeignet, die Abhangigkeit der Infiltrationsrate von der Viskositat des Lotes, der Porositat und Benetzbarkeit der Cu-Matrix, sowie des Verhaltnisses von Fugeschichtdicke zu Bauteilflache abzubilden, und soll somit eine Prozessoptimierung erlauben im Hinblick auf die Anforderungen, die ein Einsatz des Diffusionslotens in einer Serienfertigung leistungselektronischer Module mit sich bringt.