DBC-Keramiksubstrat-Einkaufsführer: So erkennen Sie Defekte vor der Bestellung

Das Bauteil, das in einem Leistungsmodul zuerst ausfällt, ist nicht das auffälligste – es ist die darunter liegende Keramikschicht. Wenn Sie DBC-Keramiksubstrate für Leistungsmodule beschaffen, können verborgene Defekte zu Feldausfällen mit erheblichen Folgekosten führen. Im Folgenden wird erläutert, was Sie zuerst prüfen sollten.

Die Defekte, die tatsächlich zu Ausfällen führen

Die meisten Probleme bei DBC-Substraten lassen sich auf einige wenige Wiederholungstäter zurückführen. Nachfolgend erfahren Sie, wie diese aussehen und warum sie entstehen:

Hohlräume (Voids) in der Verbindungsschicht

Hohlräume (Voids) sind feine Bläschen, die während des Direct-Bonding-Prozesses zwischen Kupfer und Keramik eingeschlossen werden. Sie treten häufig bei Herstellern mit geringerem Qualitätsstandard auf und werden bereits nach wenigen Thermozyklen oft zum Ausgangspunkt von Rissen. Fragen Sie Ihren Lieferanten nach der gemessenen Hohlraumquote – gehen Sie nicht davon aus, dass sie bei null liegt.

Delamination (Schichtentrennung)

Delamination ist ein Phänomen, bei dem sich die Kupferschicht von der Keramik zu lösen beginnt. Da Kupfer und Keramik beim Erwärmen unterschiedliche Ausdehnungsraten aufweisen, wird bei jedem erneuten Thermozyklus Spannung auf die Verbindungsstelle ausgeübt. Eine der Hauptursachen für Feldausfälle von DBC-Substraten ist Delamination, insbesondere bei wiederholtem Temperaturwechsel zwischen -55 °C und +150 °C. Erkundigen Sie sich bei Ihrem Lieferanten nach der Anzahl der Thermozyklen, denen sein Design in Tests standgehalten hat.

Keramikrisse

Risse entstehen meist an den Enden und Ecken der Kupfer-Pads, wo die Spannungen am stärksten konzentriert sind, und breiten sich von dort auf den Keramikkörper aus. Dies ist einer der Gründe, warum das Kanten-Design und das Kupfer-Layout ebenso wichtig sind wie die Materialauswahl. Erkundigen Sie sich diesbezüglich, bevor Sie bestellen.

Schwache Grenzflächenbindung

Die Reaktionsschicht, die Kupfer und Keramik verbindet, bildet sich möglicherweise nicht ordnungsgemäß aus. In diesem Fall nimmt die Bindungsfestigkeit von Anfang an ab – noch bevor die Bauteile einer tatsächlichen thermischen Belastung ausgesetzt werden. Dies lässt sich nicht anhand eines Zertifikats feststellen.

Wie können Sie diese Defekte also vermeiden? Stellen Sie die richtigen Fragen zur Eigenprüfung Ihres Lieferanten.

Wie zuverlässige Lieferanten Defekte vor dem Versand erkennen

Sie können den Bonding-Prozess eines Lieferanten nicht selbst überwachen. Sie können jedoch den Nachweis verlangen, dass dieser vor dem Versand auf Defekte geprüft wird.

X-Ray Inspektion

Die Röntgenprüfung ist ein Standardverfahren zum Erkennen von Hohlräumen in Verbindungsschichten, die von außen nicht sichtbar sind. Obwohl es sich um eine schnelle und etablierte Methode handelt, gibt es eine Einschränkung, die Sie kennen sollten. Dies bedeutet, dass reine Adhäsionsfehler ohne tatsächliche Spalte durch eine Röntgenprüfung nicht zwangsläufig erkannt werden.

Ultraschallmikroskopie (Scanning Acoustic Microscopy – SAM)

Die SAM nutzt Ultraschall, um das Innere des Substrats zu untersuchen, und erfasst Risse, Hohlräume sowie Delaminationen die Röntgenprüfungen häufig entgehen. Sie wird im Bereich der Leistungselektronik weit verbreitet bei DBC- und AMB-Substraten eingesetzt und zeichnet sich durch ihre Fähigkeit aus, den Verschleißgrad der Verbindungszone zu messen.

Visuelle Prüfung und Schliffbildprüfung (Mikroschliff)

Bei der Schnittbildbeobachtung unter dem Mikroskop kann die Verbindungsschnittstelle direkt überprüft werden. Ist ein dunkler Spalt oder eine ungleichmäßige Oxidschicht zu sehen, ist der Bonding-Prozess fehlerhaft. Eine Anpassung der Montagetemperatur wird dies nicht beheben.

Nachdem Sie nun wissen, worauf Sie achten müssen, erfahren Sie hier genau, was Sie vor einer Bestellung fragen sollten.

Beschaffungscheckliste für den Kauf von DBC-Keramiksubstraten

Gleichgültig, ob Sie einen Lieferanten für ein neues DBC-Keramiksubstrat qualifizieren oder einen bestehenden Lieferanten rezertifizieren möchten: Es lohnt sich, im Vorfeld die folgenden Fragen zu stellen:

Können Sie einen Röntgen- oder SAM-Inspektionsbericht des tatsächlichen Loses vorlegen, anstatt nur ein allgemeines Kompetenzzertifikat?
Wie hoch ist die Hohlraumquote (Void Rate) an der Kupfer-Keramik-Grenzfläche? Wird das Los bei Überschreitung des Schwellenwerts als Ausschuss entsorgt?
Wie vielen Temperaturwechselzyklen hielt dieses Leiterplattendesign bei Ihren Tests stand?
Führen Sie mikroskopische Schliffbildanalysen (Mikroschliff) durch? Ist es möglich, den Querschnitt der Probe einzusehen?
Über welche Zertifizierungen verfügt Ihre Fertigungsstätte derzeit?
Wie unterscheidet sich die Durchlaufzeit (Lead Time) zwischen einem Musterlos und einem Serienfertigungslos?
Can you supply custom thickness, copper layer options or minimum order quantity (MOQ) that fits perfectly with my design rather than the standard size?

Akzeptanzschwellenwerte, die Sie kennen sollten

Hier sind einige Dinge, die Sie wissen sollten, bevor Sie ein Los freigeben.

Es gibt keinen einheitlichen Industriestandard für die Hohlraumflächen-Schwellenwerte (Void Area Thresholds) beim DBC-Bonding. Jeder Lieferant legt seine eigenen Akzeptanzkriterien fest. Erfragen Sie die Hohlraumquote direkt bei Ihrem Lieferanten und lassen Sie sich diese schriftlich bestätigen.

Weisen Sie nicht ein ganzes Los wegen einer einzigen fehlerhaften Probe zurück. Wenn eine Stichprobe durchfällt, wiederholen Sie den Test oder verlangen Sie eine 100%-Prüfung.

Holen Sie Vereinbarungen schriftlich ein und veranlassen Sie keine mündlichen Versprechungen. Bestätigen Sie Lieferzeiten, Defektgrenzen und Ersatzbedingungen vor der Bestellung.

Häufig gestellte Fragen

Wie lange sollte ein Lieferant benötigen, um die Inspektionsergebnisse bereitzustellen?

Die meisten guten Lieferanten können Ihnen innerhalb weniger Arbeitstage einen Röntgen- oder SAM-Bericht zur Verfügung stellen. Wenn ein Lieferant wochenlang braucht oder eine Antwort verweigert, ist das ein Warnsignal.

Wie lässt sich feststellen, ob die Inspektionsangaben eines Lieferanten wahr oder falsch sind?

Fordern Sie die Rohdaten der Röntgen- oder SAM-Inspektionsaufzeichnungen an, nicht nur eine Zusammenfassung über „Bestanden/Nicht bestanden“ (Pass/Fail).

Wie lange sollte die Durchlaufzeit (Lead Time) eines Lieferanten für DBC-Keramiksubstrate sein?

Für Standardlose geben die meisten Lieferanten von Keramiksubstraten für DBC eine Lieferzeit von 2 bis 6 Wochen an. Bestellen Sie erst, nachdem Sie eine schriftliche Zusage für ein verbindliches Datum erhalten haben.

Ist es möglich, ein Muster zu erhalten, bevor eine Bestellung für ein ganzes Los aufgegeben wird?

Ja. Ein guter Hersteller von DBC-Keramiksubstraten stellt eine kleine Probe zum Testen zur Verfügung, bevor eine vollständige Serie produziert wird.

Was passiert, wenn ein Los nach der Lieferung die Inspektion nicht besteht?

Ein zuverlässiger Lieferant wird das Los ersetzen oder eine Gutschrift erteilen. Lassen Sie sich dies vor der Bestellung schriftlich bestätigen, nicht erst, wenn ein Problem auftritt.

Welche Aufzeichnungen muss ich für alle eingehenden Lose aufbewahren?

Gibt es für kritische Anwendungen einen niedrigeren Schwellenwert für die Hohlraumquote (Void Rate), der verhandelt werden kann?

Richtig. Wenn Sie Ihr Leistungsmodul in Elektrofahrzeugen (EV), der Medizintechnik oder der Luft- und Raumfahrt einsetzen, sollten Sie einen strengeren Schwellenwert als den Standard Ihres Lieferanten fordern. Strengere Akzeptanzkriterien führen zu höheren Kosten.

Abschließende Gedanken

Obwohl DBC-Keramiksubstrate auf dem Datenblatt einfach wirken, entstehen viele Defekte stillschweigend während des Bonding-Prozesses und werden erst entdeckt, wenn sie im Feld ausfallen. Fordern Sie vor Ihrer nächsten Bestellung nicht nur ein Zertifikat, sondern auch tatsächliche Inspektionsdaten an. Benötigen Sie Hilfe bei der Lieferantenbewertung? GGS Ceramic’s das Ingenieurteam kann Ihre Spezifikationen und Inspektionsanforderungen im Detail durchgehen.