Sprödbruchrisiko an keramischen Bauelementen in Abhängigkeit vom Hochtemperatur-Lotwerkstoff und der Beanspruchungsgeschwindigkeit

Abstract:
Der Bedarf an bleifreien Verbindungstechniken für höhere Temperaturen nimmt zu. Es kommen dabei für relativ moderaten Temperaturen < 170Grad C modifizierte Weichlote zum Einsatz, wie etwa Innolot oder HT1-Lot. Diese Verbindungswerkstoffe weisen veränderte Eigenschaften auf, die sich insbesondere in veränderten plastischen bzw. Kriecheigenschaften ausdrücken. Tendenziell verringert sich für Innolot, welches einen höheren Kriechwiderstand aufweist, die plastische Ermüdungsneigung der Verbindung, aber damit gefertigte Aufbauten verspannen sich bei thermischer Beanspruchung stärker. Daher nimmt die plastische Ermüdungsneigung des Aufbaus ab, aber die Sprödbruchgefahr nimmt zu. Es wurden beispielsweise an keramischen Kondensatoren, die mit Innolot gelötet waren, Sprödbrüche in der Keramik festgestellt, die nach Thermozyklen 150Grad C/-40Grad C unter Luft-Luft Thermoschockbedingungen auftraten. Da solche Keramikbrüche teilweise in Form von schwer detektierbaren Mikrorissen an der Unterseite der Bauelemente in Erscheinung treten, sind sie besonders kritisch. Es wurde daher die Beanspruchung keramischer Zweipoler in Abhängigkeit vom Verbindungswerkstoff mittels FE-Simulation untersucht, wobei ein typischer Thermoschockzyklus -40/150Grad C, ein vergleichbarer Zyklus mit kontrollierter Rampengeschwindigkeit von 10 K/min gemäß Jedec JESD22 sowie ein Feldzyklus betrachtet wurden. Es hat sich gezeigt, dass für Innolot die höchste mechanische Spannung in den Bauelementekeramiken auftritt, für SAC305 eine geringere und für HT1 Lot die geringste. Dementsprechend muss für Innolot das größte Bruchrisiko erwartet werden, wobei die Testzyklusbeanspruchung gegebenenfalls einen Fehlermode induziert, der für vergleichsweise langsame Feldbelastungen nicht in gleichem Maße kritisch ist.