Kupfersintern als Fügetechnologie für Leistungselektronik
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Diss. Reihe Maschinenbau, Band 401
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Abstract
In the correlation of saving resources and the reduction of CO2 emissions, lightweight construction plays a key role in the mobility sector. To face that, correctives such as lightweight material construction or form lightweight construction are used. For the production of car body components without failure or defects in deep drawing, drawbeads among other things are used. These are cylinder-like indentations in the flange area to control the material flow, whereas there is a lack of a broad understanding of the effect of a drawbead on the mechanical and tribological system. Subsequently, the overall objective of the work was to work out an integrally understanding of the process and to evaluate and increase the prediction accuracy for deep drawing processes with drawbeads for three different materials. Therefore, systematically derived methodical steps were used in two stages on the basis of the model test “strip drawing with drawbeads” and a deep drawing setup with drawbeads. The work is focused on the qualification of suitable measurement methods, such as an optical in-situ strain measurement, in order to carry out a multilevel process analysis and to derive correlations. Furthermore, the simulation accuracy was evaluated on the basis of experimental measurements and the quality of the prediction was improved by transferring the findings. Within the scope of a validation on deepdrawn components, the findings could be transferred and also additionally differentiated for linear and convex drawbeads. The work concludes with a summary and an outlook on relevant topics in the future.
Abstract
Die Entwicklung verlustarmer Leistungselektronik ermöglicht effiziente Elektromobilität und regenerative Energiesysteme. Mit den neuen, leistungsfähigeren Halbleitermaterialien wachsen auch die Anforderungen an das in der Leistungselektronik eingesetzte Fügematerial. Das sog. Silbersintern löst durch seine hervorragenden Materialeigenschaften und hohe Beständigkeit konventionelle Weichlote in leistungselektronischen Modulen ab. Die Verwendung von hochwertigen Silberpartikeln als Fügematerial führt allerdings auch zu gesteigerten Kosten für Leistungselektronik. In dieser Arbeit werden Kupferpartikel als Substitut für Silber in einem Fügematerial für Leistungselektronik untersucht. Die Eigenschaften der im Drucksintern erzeugten kupfernen Verbindungsschichten werden beschrieben. Die Auswertung der gesinterten Gefügestruktur, elektrischen Leitfähigkeit, Wärmeleitfähigkeit, thermischen Ausdehnung und mechanischen Eigenschaften wie Zugfestigkeit, Plastizität sowie Kriechverhalten ermöglichen die Einordnung des Kupfer-Sintermaterials gegenüber bestehenden Fügetechnologien. Der Einfluss der Prozessfaktoren (Druck, Temperatur und Prozesszeit) auf die Eigenschaften der gesinterten Kupferverbindung wird dargelegt und erlaubt die Bewertung der industriellen Umsetzbarkeit anhand eines Prozessfenster. In Alterungstests sowie passiven und aktiven Zuverlässigkeitstests wird das Potential von Kupfer als Fügematerial für Leistungselektronik der Zukunft gezeigt.