Anuncios iMaps 02/2025

¡No se pierda el seminario de primavera de IMAPS!

El seminario de primavera sobre "Electrónica fiable - made in Europe" está a la vuelta de la esquina. Esta vez, la comunidad alemana de IMAPS se reunirá el 25 de febrero de 2025 en el Instituto Fraunhofer de Microestructura de Materiales y Sistemas IMWS de Halle an der Saale. ¡Usted también puede asistir!

He aquí un resumen del programa de conferencias:

Andreas Karch (Indium Corporation), Sistema moderno de pasta de soldadura de alta fiabilidad para aplicaciones con perfiles de misión largos y sostenibles

Kurt Jürgen Lang (ams-Osram), Diseño y procesamiento de Solderpad para aplicaciones LED fiables

Oliver Albrecht (TU Dresden / IAVT), Métodos de rayos X in situ para la caracterización de procesos de soldadura y procesos termomecánicos

Bernhard Wunderle (TU Chemnitz), Fiabilidad termomecánica para embalajes electrónicos

Martin Rittner (Robert Bosch GmbH), Tecnologías de módulos de potencia robustos: Desafío para la cualificación de módulos

Robert Klengel (Fraunhofer IMWS), Evaluación acelerada de la fiabilidad de la metalización de la placa base de los módulos de potencia

Markus Leicht (Schaeffler), Power-Cycling, modelización en tiempo real basada en la separación de los mecanismos de degradación microestructural y su interrelación con la funcionalidad eléctrica

Stefan Wagner (Fraunhofer IZM), Fallos provocados por la temperatura y la humedad en la aplicación de sistemas electrónicos de potencia

Christoph Hecht (FAPS), Funcionalización 3D cercana al chip de sustratos DCB para aplicaciones de electrónica de potencia

Ralph Schacht (BTU), Simulación transitoria a nivel de sistema - desarrollo de modelos y validación experimental de la temperatura de unión en línea

Johannes Zeh (CiS), Fiabilidad de las señales de los sensores

Jens Müller (TU Ilmenau), LTCC y sustratos compuestos LTCC para aplicaciones de sensores en condiciones de funcionamiento difíciles

La página de inscripción, información más detallada sobre el seminario y datos sobre el lugar de celebración pueden consultarse en

www.conftool.net/imaps-fruehjahrsseminar-2025/index.php y https://imaps.de/events/.

Ganador del premio a la mejor presentación

Nos complace ofrecer al ganador del "Premio a la mejor presentación" de la Conferencia de Otoño de IMAPS de este año, el Dr. Freerik Forndran (Schaeffler AG), la oportunidad de presentar aquí su trabajo.

Modelización de la vida útil basada en la física del fallo de módulos de potencia sinterizados de plata para vehículos eléctricos mediante experimentación y simulación

El cambio de paradigma en la electrónica de potencia del automóvil hacia dispositivos semiconductores de banda ancha, como los MOSFET de carburo de silicio (SiC), plantea retos fundamentales, especialmente en lo que respecta a las evaluaciones de vida útil y fiabilidad. Los materiales de banda ancha ofrecen ventajas como una mayor eficiencia y resistencia a la temperatura, pero también requieren nuevos enfoques en la tecnología de envasado (AVT). En particular, el uso de capas de interconexión de plata sinterizada (SAG) para la AVT cercana al chip ha demostrado ser prometedor. Esta tecnología se caracteriza sobre todo por sus excelentes propiedades eléctricas, térmicas y mecánicas, que vienen determinadas principalmente por la microestructura porosa. Sin embargo, el uso de nuevas soluciones de envasado significa que los modelos empíricos de vida útil de los módulos de potencia desarrollados durante muchos años ya no son adecuados. Un enfoque holístico basado en la física del fallo puede aportar una solución en este caso, ya que permite reducir considerablemente el tiempo de ensayo mediante simulaciones de elementos finitos. Este enfoque requiere una comprensión detallada de los mecanismos de fallo pertinentes, así como una caracterización eléctrica, térmica y mecánica de los materiales implicados.

Fig. 1: IZQUIERDA: Imagen ejemplar de un sustrato AMB con cuatro MOSFET de SiC ensamblados y la conexión de la cara superior formada por una lámina de cobre y uniones de cinta. DERECHA: Representación esquemática del módulo analizado en sección transversal (no a escala).

El objetivo de este trabajo era utilizar el enfoque de la física del fallo para crear un modelo de vida útil de un módulo de potencia complejo para vehículos eléctricos. En la figura 1 se muestra el módulo que se va a analizar. Consta de un sustrato cerámico (denominado aquí sustrato AMB), formado por dos capas de cobre y una de cerámica, que está unido a una estructura de refrigeración (refrigerador). Sobre el sustrato se sinteriza un MOSFET de carburo de silicio (SiC). La cara superior del componente semiconductor está conectada mediante una lámina de cobre sinterizado y uniones de cinta de cobre. Para investigar el comportamiento de degradación relevante para la aplicación, los módulos de potencia se someten a los llamados experimentos de ciclos de potencia. Aquí, los componentes semiconductores se energizan periódicamente y las pérdidas generadas conducen a un aumento cíclico de la temperatura y, por tanto, a una carga termomecánica [1]. En estos experimentos, la conexión sinterizada de la parte superior entre el dispositivo semiconductor y la lámina de cobre demostró ser especialmente susceptible a la degradación.

La identificación de la degradación de la capa de unión de la cara superior hecha de plata sinterizada como el mecanismo de fallo dominante determina el procedimiento posterior dentro del marco del enfoque de la física del fallo. Por lo tanto, es necesaria una caracterización eléctrica, térmica y mecánica detallada de la plata sinterizada en particular para la siguiente descripción simulativa realista del módulo de potencia y la degradación.

Los ensayos de tracción son un método habitual para determinar los datos mecánicos del material. Sin embargo, debe prestarse especial atención a la microestructura a la hora de fabricar las probetas de tracción (mostradas en la Fig. 2a). Ésta debe corresponder a la microestructura de la capa de adherencia real, ya que la porosidad tiene una influencia dominante en las propiedades del material. Para lograrlo, fue necesario un ajuste del proceso y esta correspondencia se garantizó mediante ensayos iniciales de microsección. Se utilizaron ensayos clásicos de tracción uniaxial para obtener los parámetros elasto-plásticos del material. También se realizó un ensayo de fluencia para investigar el comportamiento en función del tiempo. Desde hace varios años se sabe que la plata sinterizada presenta una fluencia pronunciada a temperaturas inferiores a una temperatura homóloga de 0,3. Esto se debe, entre otras cosas, a los aumentos de tensión que se producen debido a la reducción de la sección transversal del material poroso. Además, la geometría de la probeta de tracción puede utilizarse para la caracterización eléctrica y térmica de la plata sinterizada. Se utilizaron modelos bibliográficos para modelizar los datos elasto-plásticos medidos. Las curvas de fluencia se caracterizaban por una fuerte dependencia de la temperatura y la tensión, y no se pudo encontrar ningún modelo bibliográfico capaz de describir los datos. Por lo tanto, se desarrolló un modelo propio basado en los datos, que tiene en cuenta tanto la fluencia primaria como la secundaria. Como se muestra en la Figura 2a, el modelo desarrollado describe bien los datos medidos en todas las temperaturas y tensiones. El modelo se implementó en el software de elementos finitos mediante una subrutina. Para más información, véase [2].

Así, por primera vez, se utilizó en este trabajo un modelo holístico de fluencia, que representa la fluencia primaria y secundaria. Las siguientes simulaciones de vida útil se diseñaron como simulaciones multidominio: Una simulación electrotérmica calculó la distribución de la temperatura a partir de la corriente, teniendo en cuenta la retroalimentación debida a la resistencia dependiente de la temperatura; a continuación, la distribución de la temperatura resultante se utilizó como variable de entrada para una simulación termomecánica con el fin de determinar y evaluar los estados de tensión y deformación. Para crear el modelo de vida útil, también se requería un parámetro de fallo escalar, que resultaba de promediar la deformación inelástica (plástica + fluencia) a lo largo de una trayectoria de grieta representativa [3]. Los datos experimentales de fallo requeridos procedían de tres experimentos de ciclos de potencia con diferentes escenarios de carga. El modelo de vida útil resultante se muestra en la Figura 2b. La dependencia pudo confirmarse con un ajuste según el modelo de Coffin-Manson. Este modelo de vida útil calibrado basado en la física del fallo permite ahora realizar predicciones de fiabilidad significativas para cargas diferentes o geometrías modificadas utilizando únicamente simulaciones por elementos finitos. En resumen: en este trabajo se ha diseñado un primer modelo de vida útil basado en la física del fallo para un módulo de potencia complejo destinado a vehículos eléctricos. El módulo investigado se caracterizaba por el uso de MOSFETs de SiC como interruptores de potencia y plata sinterizada en las conexiones inferior y superior. La necesaria caracterización del material, en particular de la plata sinterizada, se llevó a cabo mediante ensayos de tracción y se desarrolló un modelo propio de fluencia para describir los datos medidos. En el futuro, la interacción de la simulación y la experimentación en el contexto de un enfoque basado en la física del fallo permitirá reducir drásticamente los tiempos de ensayo.

Fig. 2: (a) Imagen de una probeta de tracción y comparación de los datos de fluencia medidos y el modelo desarrollado. (b) Modelo de vida útil generado según el enfoque de la física del fallo.

IMAPS Alemania - Su asociación para la tecnología de ensamblaje y conexión

IMAPS Alemania, parte de la "Sociedad Internacional de Microelectrónica y Embalaje" (IMAPS), ha sido el foro en Alemania para todos aquellos involucrados en la microelectrónica y la tecnología de embalaje desde 1973. Con casi 300 miembros, perseguimos esencialmente tres objetivos importantes:

• conectamos la ciencia y la práctica
• garantizamos el intercambio de información entre nuestros miembros y
• representamos la posición de nuestros miembros en los comités internacionales.

Calendario de actos

Referencias

[1] Centro Europeo de Electrónica de Potencia (ECPE), Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units in Motor Vehicles, Directriz AQG 324 V03.1/2021, 2021.
[2] F. Forndran, Physics-of-Failure Based Lifetime Modelling of Silver Sintered Power Modules for Electric Vehicles by Experiment and Simulation, Universidad Tecnológica de Chemnitz, 2024.
[3] B. Wunderle, K.-F. Becker, R. Sinning, O. Wittler, R. Schacht, H. Walter, M. Schneider-Ramelow, K. Halser, N. Simper, B. Michel y H. Reichl, "Thermo-mechanical reliability during technology development of power chip-on-board assemblies with encapsulation", Microsystem Technologies, vol. 15, pp. 1467-1478, 2009.

Contacto:

Dr. Freerik Forndran
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Pie de imprenta

IMAPS Alemania e. V.
Kleingrötzing 1, D-84494 Neumarkt-St. Veit

1er Presidente: Prof. Dr. Martin Schneider-Ramelow, Director del Instituto Fraunhofer de Fiabilidad y Microintegración (IZM),
Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Tesorero
(para cuestiones sobre afiliación y contribuciones):
Ernst G. M. Eggelaar, Esta dirección de correo electrónico está siendo protegida contra los robots de spam. Necesita tener JavaScript habilitado para poder verlo.

Encontrará información de contacto detallada sobre los miembros del Comité Ejecutivo en www.imaps.de
(Comité Ejecutivo)