Untersuchungen zur Optimierung von elektrischen Schaltungsträgern auf der Basis von Keramik-Metall-Verbunden

DBC-Substrate (direct bonded copper) sind Schaltungsträger für die Leistungselektronik. Durch die Gestaltung der Geometrie der Kupferflächen auf dem keramischen Grundmaterial kann Einfluss auf die Temperaturwechselbeständigkeit der Substrate genommen werden. Im Rahmen dieser Arbeit wird der Einfluss der geometrischen Abmessungen auf das Schadensbild und die Schadensgeschwindigkeit im direkten Vergleich untersucht, um Kupferstrukturen zu finden, mit denen ein Schaltungslayout hinsichtlich der Temperaturwechselbeständigkeit optimiert werden kann.

Bei der Variation der Strukturgröße fällt eine geringe Temperaturwechselbeständigkeit von Substraten mit sehr großen und sehr kleinen Kupferflächen auf, was ein Hinweis auf das Vorhandensein einer optimalen Größe ist. Ein geringes Aspektverhältnis von Länge und Breite verändert die Temperaturwechselbeständigkeit positiv, ein hohes Aspektverhältnis negativ. Eine Ausnahme bilden sehr schlanke Leiterbahnen, die eine sehr hohe Temperaturwechselbeständigkeit aufweisen. Eine Variation der Eckgeometrie in Form einer Verrundung hat eine negative Auswirkung auf die Temperaturwechselbeständigkeit.

Die Gestaltung der Rückseite hat einen starken Einfluss auf die Temperaturwechselbeständigkeit. Eine vollflächige Kupferstruktur erweist sich als günstig. Wird das Prinzip des Kraftausgleichs angewandt und die Geometrie der ersten Seite gespiegelt, resultiert daraus eine geringere Temperaturwechselbeständigkeit. Der Versatz der beiden Strukturen auf Vorder- und Rückseite hat ebenfalls einen großen Einfluss auf die Temperaturwechselbeständigkeit. Günstig wirkt sich bereits ein geringer Versatz der beiden Kupferschichten aus.

Bei der Untersuchung des Schadensverlaufes wird der Bruch bei quadratischen oder rechteckigen DBC-Substraten in fünf Phasen unterteilt. Der Bruch verläuft nicht durchgängig, sondern in zwei Schritten. Zunächst tritt ein Schaden unterhalb der Mitte der Kanten, dann erst unterhalb der Ecken der Kupferstruktur auf. Das Schadensbild lässt auf eine Asymmetrie im Schaltungsträger schließen, welche sich auf unterschiedliche herstellungsbedingte intrinsische Lasten in den Kupferschichten zurückführen lässt.