Die Überwindung von Herausforderungen bei der Herstellung von Hochleistungselektronik
Die Leistungselektronik ist ein sich schnell entwickelnder Bereich, der von technologischen Fortschritten, der steigenden Nachfrage nach Energieeffizienz und der Umstellung auf erneuerbare Energiequellen angetrieben wird.
Sicherstellung von Zuverlässigkeit und Langlebigkeit durch fortschrittliche Oberflächenbehandlung
Im Bereich der Hochleistungselektronik hat das Streben nach Miniaturisierung und höherer Leistung eine Reihe komplizierter Herausforderungen hervorgebracht. Die nahtlose Integration verschiedener Materialien ist entscheidend für die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Leistungselektronik, die Ströme von mehr als 1000 A bewältigt. Unvollkommenheiten wie Hohlräume und Oxidation auf Metalloberflächen können die Leistung und Sicherheit dieser Komponenten stark beeinträchtigen.
Plasmatreats Openair-Plasma®-Reinigung und -Aktivierung sowie das innovative REDOX-Tool bieten fortschrittliche Lösungen, um diese kritischen Herausforderungen effektiv anzugehen. Durch die Gewährleistung makelloser, oxidfreier Oberflächen verbessern diese Erfindungen die Haftung, die elektrische Leistung und die allgemeine Zuverlässigkeit und ebnen den Weg für die nächste Stufe der Hochleistungselektronik.
Herausforderungen bei der Produktion von Halbleitern und Leistungsmodulen
Harte Anforderungen an Materialien und Verbindungen
Hochleistungsleistungsmodule müssen über Jahre hinweg unter extremen Bedingungen zuverlässig arbeiten. Ob in Elektrofahrzeugen, Windkraftanlagen oder Industrieantrieben, diese Komponenten sind hohen Temperaturen, hohen Spannungen und starken mechanischen Belastungen ausgesetzt - und das bei immer kompakteren Bauformen.
Eine besondere Herausforderung stellen die so genannten "Tripelpunkte“ dar, an denen unterschiedliche Materialien wie Kupfer, Keramik und Vergussmassen aufeinander treffen. Diese Zonen sind anfällig für Spannungen, Lufteinschlüsse oder Adhäsionsfehler - all das kann die Lebensdauer des Moduls verkürzen. Eine der Hauptursachen: oxidierte Metalloberflächen, die die Lötbarkeit beeinträchtigen und den Kontaktwiderstand erhöhen. Ein weiteres häufiges Risiko ist die Delaminierung von Epoxidharz während des Umspritzens. Um diese Probleme zu lösen, sind eine zuverlässige Verbindungstechnologie und eine gezielte Oberflächenbehandlung unerlässlich.
Anwendungsfälle - Wo Plasma den Unterschied macht
Anwendungsbereiche in anspruchsvollen Branchen
Unsere Plasmasysteme werden überall dort eingesetzt, wo Leistungsmodule extremen Bedingungen ausgesetzt sind und zuverlässig funktionieren müssen. Unterschiedliche Branchen stehen vor unterschiedlichen Herausforderungen - die Lösung ist jedoch immer dieselbe: fortschrittliche Oberflächenbehandlung mit Openair-Plasma® und PlasmaPlus®.
E-Mobilität
In Wechselrichtern, Batteriemanagementsystemen und Ladegeräten sorgt Plasma für stabile elektrische Kontakte und verhindert Delamination in hochdynamischen Umgebungen mit starker Hitze- und Strombelastung.
Erneuerbare Energien
Photovoltaik- und Windenergiesysteme müssen trotz UV-Strahlung, Feuchtigkeit und Temperaturschwankungen langfristig haltbar sein. Plasmabeschichtungen helfen, kritische Kontaktbereiche zu schützen und die Zuverlässigkeit zu verbessern.
Industrielle Automatisierung
Leistungsmodule in Industrie- und Robotersystemen müssen Vibrationen, Staub und rauen Medien standhalten. Die Plasmabehandlung verbessert die Haftung von Vergussmassen und gewährleistet langlebige, hochintegrierte Verbindungen.
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Zu den wichtigsten Herausforderungen zählen:
Lunker in Lötverbindungen
- Thermische und elektrische Impedanz: Hohlräume können die thermische und elektrische Leitfähigkeit von Lötstellen verringern. Dies kann zu Hotspots, erhöhtem Widerstand und möglichen Ausfällen aufgrund von Überhitzung führen.
- Mechanische Schwachstellen: Lunker beeinträchtigen die mechanische Integrität von Lötstellen und machen sie anfälliger für Risse und Ausfälle unter thermischer und mechanischer Belastung.
Oxidation von Metalloberflächen
- Schlechte Adhäsion: Oxidierte Oberflächen behindern die ordnungsgemäße Verbindung zwischen den Materialien, was zu Delamination oder schlechter mechanischer Festigkeit der montierten Komponenten führen kann.
- Inkonsistente Lötung: Oxide bilden Barrieren, die verhindern, dass das Lot gleichmäßig benetzt und verteilt wird, was zu schwachen und unzuverlässigen Lötstellen führt.
Materialkompatibilität
- Unstimmige Wärmeausdehnung: Verschiedene Materialien haben unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten. Ohne geeignete Oberflächenbehandlung und Verbindungstechniken können thermische Zyklen Spannungen verursachen, die zu Delamination oder Rissen führen.
- Chemische Inkompatibilität: Die Materialien müssen sorgfältig ausgewählt und behandelt werden, um chemische Reaktionen zu verhindern, die die Leistung beeinträchtigen oder zu Ausfällen führen können.
Flussmittelrückstände
- Verunreinigung: Flussmittelrückstände können die Baugruppe verunreinigen, was zu elektrischen Kurzschlüssen, Korrosion und Zuverlässigkeitsproblemen führen kann.
- Herausforderungen bei der Reinigung: Da die Bauteile immer kleiner und dichter gepackt werden, wird es immer schwieriger, Flussmittelrückstände zu entfernen, ohne die Bauteile zu beschädigen.
Miniaturisierung
- Anforderungen an die Präzision: Kleinere Bauteile und feinere Abstände erfordern extrem präzise Fertigungsprozesse. Selbst kleine Unzulänglichkeiten können zu erheblichen Leistungsproblemen oder Ausfällen führen.
- Wärmeableitung: Eine effiziente Wärmeableitung wird immer schwieriger, je kleiner die Bauteile werden. Daher sind hochwertige Lötstellen und Materialien erforderlich, um die Wärme effektiv abzuleiten.
Langfristige Verlässlichkeit
- Umwelteinflüsse: Leistungselektronik ist oft rauen Umgebungsbedingungen ausgesetzt, darunter hohe Temperaturen, Feuchtigkeit und Vibrationen. Die Gewährleistung, dass alle Materialien und Verbindungen frei von Löchern und Defekten sind, ist entscheidend für die Aufrechterhaltung der langfristigen Zuverlässigkeit.
- Alterung und Degradation: Mit der Zeit können sich Materialien abnutzen und Verbindungen schwächer werden. Lücken und Unvollkommenheiten beschleunigen diesen Prozess und führen zu frühen Ausfällen.
Angehen dieser Herausforderungen
Techniken wie die Openair-Plasma®-Technologie und die Inline-fähige Oxidreduzierung des REDOX-Tools können Oberflächen effektiv reinigen und vorbereiten und so sicherstellen, dass alle Materialien richtig haften und auch unter den hohen Anforderungen der Leistungselektronik zuverlässig funktionieren.
Dies führt zu einer verbesserten elektrischen Leistung, einem höheren Ertrag und einer verbesserten allgemeinen Zuverlässigkeit und Langlebigkeit der Komponenten.
Wie Plasmatreat mit der Openair-Plasma® helfen kann
Verbesserte Adhäsion und Bindung
Bei der Verwendung von Sinterverfahren werden die Teile höheren Temperaturen ausgesetzt, was zu Problemen mit der Delamination führen kann. Plasmatreat hat eine kombinierte Lösung entwickelt, bei der erstens die Oxidschicht durch das REDOX-Werkzeug entfernt wird und zweitens eine Nanoschicht aufgetragen wird, um eine gute Verbindung mit dem Formenmaterial zu gewährleisten.
Oxidreduzierung mit dem REDOX-Tool
Das REDOX-Tool nutzt eine Kombination aus Stickstoff und Wasserstoff in einem Tunnelkonzept. Dieser Prozess bietet eine makellose Oberfläche für nachfolgende Prozesse. Durch die Beseitigung von Oxidschichten verbessert das REDOX-Tool die elektrische Leitfähigkeit und Zuverlässigkeit, was für elektronische Hochleistungsbauteile wie Leistungsmodule und IGBTs entscheidend ist.
Kontinuierliche und effiziente Verarbeitung
Das REDOX-Tool unterstützt die kontinuierliche Inline-Verarbeitung und ermöglicht die Behandlung von Materialien, während sie die Produktionslinie durchlaufen. Dies reduziert die Ausfallzeiten und erhöht den Gesamtdurchsatz der Produktion. Darüber hinaus gewährleistet es eine kontinuierliche Prozesskontrolle für jedes Bauteil, was zu einer gleichbleibenden Qualität und Leistung führt.
Verringerung von Mängeln und Verbesserung der Erträge
Die gründliche Reinigung und die Oxidreduzierung minimieren das Risiko von Hohlräumen und anderen Defekten, die für die langfristige Zuverlässigkeit und Leistung von Hochleistungselektronik entscheidend sind. Sauberere Oberflächen und eine verbesserte Bindung führen zu weniger Defekten und Nacharbeit, was zu höheren Ertragsquoten und weniger Abfall in der Produktion führt.
Umwelt- und Kostenvorteile
Durch die Minimierung der Notwendigkeit von chemischen Fluss- und Reinigungsmitteln reduziert Plasmatreat die Umweltauswirkungen des Herstellungsprozesses. Verbesserte Prozesseffizienz, höhere Erträge und geringerer Verbrauch von Verbrauchsmaterialien tragen im Laufe der Zeit zu erheblichen Kosteneinsparungen bei.
