Simulation des Infiltrationsprozesses beim Diffusionslöten

Abstract:
Die Anforderungskataloge für die Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronischer Module der nächsten Generation beinhalten eine erhöhte Stromtragfähigkeit bzw. eine erhöhte Stabilität unter thermo-mechanischen Lasten. Heruntergebrochen auf vorhandene Fügeschichten, wie z.B. die Substratanbindung von Leistungshalbleitern, bedeutet dies, dass Alternativen zu den gegenwärtig Verwendung findenden bleihaltigen bzw. -freienWeichloten notwendig werden. Konkret stellt das Flüssigphasen-Diffusionslöten (HotPowCon Technologie) eine Alternative mit einer bezüglich der oben genannten Anforderungen sehr hohen Leistungsfähigkeit dar. Das Prinzip des Diffusionslötens besteht darin, eine Lotschmelze in eine poröse Kupfermatrix zu infiltrieren und intermetallische Phasen zwischen Lot und Kupfer entstehen zu lassen, die hohe thermo-mechanische Stabilität der Fügeschicht auch bei weit über die Schmelztemperatur der Lotlegierung hinausgehenden Einsatztemperaturen gewährleisten. Eine Simulation des Infiltrationsprozesses erfordert die Modellierung von Fluid-, bzw. Benetzungsdynamik in geometrisch komplexen Strukturen, was mit herkömmlichen CFD-Methoden nur unter sehr großem numerischem Aufwand möglich ist. Demgegenüber ist die Lattice-Boltzmann Methode, die einen indirekten Lösungsansatz für die Navier-Stokes Gleichungen darstellt, ein numerisch viel effektiverer Modellierungsansatz. Inhalt des Beitrages ist die Entwicklung einer Simulationsmethodik für den Infiltrationsprozess beim Diffusionslöten basierend auf der Lattice-Boltzmann Methode. Sie ist geeignet, die Abhängigkeit der Infiltrationsrate von der Viskosität des Lotes, der Porosität und Benetzbarkeit der Cu-Matrix, sowie des Verhältnisses von Fügeschichtdicke zu Bauteilfläche abzubilden, und soll somit eine Prozessoptimierung erlauben im Hinblick auf die Anforderungen, die ein Einsatz des Diffusionslötens in einer Serienfertigung leistungselektronischer Module mit sich bringt.