Additive Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden mittels selektivem Laserschmelzen für die Leistungselektronik

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Jörg Ernst Franke
• Fachliche Zuordnung: Produktionsautomatisierung und Montagetechnik
• Förderung: Förderung seit 2020
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 434962551

Vorliegendes Vorhaben beschäftigt sich mit der Erforschung der additiven Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden mittels selektivem Laserschmelzen für die Leistungselektronik. Als leistungselektronische Substratmaterialien werden derzeitig meist keramische Schaltungsträger, gefertigt anhand von DCB- (direct copper bonded) oder AMB- (active metal brazing) Verfahren, angewandt. Beide Verfahren beinhalten den Verbund von keramischem Substrat mit einer metallischen, elektrisch leitenden dünnen (0,2-0,5 mm) Schicht, meist in Form von Folien. Die Verbindung der beiden Werkstoffe wird beim DCB-Prozess über die Benetzung von geschmolzenem Cu2O an der Kupferfolienunterseite in direktem Kontakt mit einer Oxidkeramik (meist Al2O3) in einem Brennprozess bei ca. 1064 °C erzielt. Dadurch wird eine stoffschlüssige Verbindung erzielt, welche im Einsatz von leistungselektronischen Schaltungsträgern aufgrund der CTE-Unterschiede von Keramik und Metallisierung notwendig ist. Beim AMB-Prozess sind es Titanzusätze zu einer Lotlegierung (meist Ag-Cu-Lote), welche beim Brennprozess in Kontakt mit keramischen Materialien eine Reaktionsschicht ausbilden. Besagtes Lot fungiert demnach als Interface zwischen keramischem Substrat und Metallfolie. Beide Prozesse weisen jedoch Schwächen im Bereich der Flexibilisierung, 3D-Fähigkeit der Metallisierung und dem Ressourcenverbrauch auf. Um letztlich die leitenden Strukturen des Schaltungsträgers zu erhalten sind diverse Lithographie-, Ätz-, und Waschvorgänge nötig, welche die Prozesskette maßgeblich verlängern und zusätzlich die Umwelt durch den Einsatz von Chemikalien belasten. Das selektive Laserschmelzen bietet hierfür eine Alternative: Es können Pulvermaterialien auf ca. 500 °C heißen keramischen Substraten in einem Prozessschritt selektiv geschmolzen werden, was der letztendlichen Metallisierung entspricht. Dieses Verfahren kann als selektives Laser Brazing (SLB) beschrieben werden. In diesem Forschungsvorhaben werden aufgrund der Analyse des Standes der Technik und den umfangreich durchgeführten Vorarbeiten Cu-Ti-Pulver als Metallisierungsmaterialien verwendet. Als Substratmaterial soll Al2O3 fungieren. Zu Beginn des Forschungsvorhabens wird das Schmelzverhalten der Pulvermaterialien ohne keramischem Substratmaterial qualifiziert. Hauptbestandteil der Forschung jedoch ist die Ermittlung des Benetzungsverhaltens der Pulver auf der beheizten Al2O3-Keramik mit einhergehenden Parameterstudien. Als Qualifizierungsmaßnahmen werden Haftfestigkeitsprüfungen, Stromtragfähigkeiten sowie Langzeitstabilitäten der Metallisierung vor und nach einer thermischen Nachbehandlung in inerter/evakuierter Atmosphäre überprüft. Anhand von EDX- und WDX-Analysen im REM soll die Kernfragestellung – der Möglichkeit einer Stoffschlüssigen Verbindung von Titanhaltigen Pulver mit Al2O3 in Form von einer Ausbildung von Magneli-Phasen mittels SLB/SLM - des Forschungsvorhabens beantwortet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen