Das Phänomen der effektiv negativen thermischen Dehnungskoeffizienten an DCB-Substraten für Leistungsanwendungen

Abstract:
Für auf DCB-Substraten verlötete Bauelemente entstehen durch thermische Zyklusbelastung mechanische Belas-tungen durch die Fehlanpassung, die zur Ermüdung deren Lötverbindungen führen können. Für keramische Zweipoler, z. B. Chipwiderstände und -kondensatoren, ist als Faustregel für Aufbauten auf Leiterplatten bekannt, dass der "thermische Mismatch" mit der BE-Größe zunimmt, die Lötverbindungen großer Bauelemente daher eher ausfallen. Für Aufbauten auf keramischen Schaltungsträgern wird gemeinhin dieses Problem als weit geringer angesehen, da das Substrat besser angepasst ist, der thermische Mismatch daher gering ausfällt. Diese für Aufbauten mit im Vergleich zur Keramik dünnen Metallisierungen sicherlich richtige Annahme wurde hinterfragt für dicke Metallisierungen mit hoher Stromtragfähigkeit. Es wurden dazu für DCB-Aufbauten mit Substraten verschiedener Dicke sowohl experimentelle Verformungsmessungen als auch FE-Simulationen mit dem Ziel durchgeführt, die Lotbeanspruchung für Zweipoler, die über die Ätzgräben der Cu-Metallisierung gelötet werden, zu analysieren. Es wurden dabei Effekte der Verkopplung des Substrats zum Heatsink, das Eigenwölbverhalten des Substrates mit verschiedenen Layouts auf Vorder- und Rückseite sowie das lokale Beanspruchungsverhalten von Lötverbindungen von Chipkondensatoren (Bauformen 0805 und 1206) untersucht. Es konnte herausgearbeitet werden, dass bei geeigneter Wahl der wärmeleitenden Verbindung zur Heatsink das DCB von dieser entkoppelt ist sowie durch geeignete Wahl des Rückseitenlayouts das Eigenwölbverhalten optimiert werden kann. Darüber hinaus wurde ein Ausdehnungs-Phänomen festgestellt, das Phänomen des lokal scheinbar negativen CTE auf der DCB-Oberseite. Es entsteht an den freigeätzten Kanten durch die größere thermische Eigendehnung des strukturierten DCB Kupfers, welches an seiner Unterseite durch die Keramik festgehalten wird und an seiner Oberseite sich relativ stärker in den freien Spalt hinein ausdehnt. Dadurch schließt sich der Spalt bei Erwärmung, resultierend in einem scheinbar negativen CTE an der Oberseite mit Maximum unmittelbar an den Cu-Kanten. Dieser negative CTE führt in Verbindung mit dem positiven CTE des Bauelementes zu einem großen thermischen Mismatch. Wird ein Zweipoler in diesem Bereich ohne Kenntnis des Phänomens gelötet, kann es zu einem frühen Ausfall der Lötverbindungen kommen. Es besteht eine komplizierte Abhängigkeit von DCB-Dicke, Spaltbreite und Zweipoler-Größe. Im Fall einer dicken Cu-Metallisierung werden die Lötverbindungen eines kleinen Bauelementes, welches den Spalt gerade überbrückt, höher beansprucht als eines größeren, dessen Lötverbindungen weiter vom Äzgraben entfernt sind. Damit wir die o. g. Faustregel in ihr Gegenteil verkehrt. Auf der Basis der im Paper diskutierten Simulationsergebnisse kann der Anwender wichtige Hinweise für die Problematik und deren Vermeidung entnehmen.