MA – Investigation of Laser Technology for Ceramic Substrate Manufacturing

Investigation of Laser Technology for Ceramic Substrate Manufacturing

Kurzzusammenfassung

Keramische Schaltungsträger wie DBC sind als eine der Schlüsselkomponenten in modernen Leistungsmodulen weit verbreitet. Aufgrund der langen Lieferzeit, der hohen Werkzeugkosten und der hohen Mindestbestellmenge verliert das geätzte DBC Substrat die Flexibilität für Forschung und Entwicklung. Diese Arbeit bietet eine alternative Lösung für die DBC-Fertigung unter Verwendung eines Ultrakurzpuls Lasers. Eine niedrige Mindestbestellmenge für die Laborforschung ist in einer kurzen Lieferzeit lieferbar. Darüber hinaus bietet die Laserbearbeitung die Möglichkeit, das Layout flexibel zu ändern, ohne zusätzliche Werkzeugkosten zu verursachen.

Der verwendete Laser hat eine Pulsdauer von 875 ± 125 fs und einen Laserspotdurchmesser von 28 μm. Er liefert Laserfluenzen bis zu 8,10 J/cm2. Bei einer hohen Fluenz von 8,10 J/cm2 ist die Laserabtragsrate auf Kupfer sehr effektiv. Bei einer niedrigen Fluenz von 0,81 J/cm2 wird der Abtragen auf Keramik Al2O3 und ZTA nicht realisiert. Dank dieser Laserabtragseigenschaften auf Kupfer und Keramik wird eine erste Laserbearbeitung zur DBC-Fertigung vorgestellt. Die Masterkarten für diese gelaserten DBC Substrate werden von der Firma Heraeus zur Verfügung gestellt.
Die gelaserten DBC Substrate werden mit kommerziellen DBC-Substraten hinsichtlich Geometrie, elektrischer Fähigkeit und thermischer Zyklenfähigkeit verglichen. Gelaserte DBC Substrate zeigten fast keinen signifikanten Unterschied in diesen Eigenschaften. Durch den Einsatz des Laserpolierens wird die Oberflächenrauheit der gelaserten DBCs reduziert. Laut Teilentladungsmessung liegt die Einsetzspannung von gelaserten DBCs im gleichen Bereich wie bei konventionell geätzten DBCs von Heraeus. Insbesondere im Thermozyklustest zeigen gelaserte Aluminiumoxid DBCs mit Dimples aufgrund der unerwünschten Dimple-Struktur eine geringere Zuverlässigkeit. Andere Typen von gelaserten DBCs zeigen ähnliche Ergebnisse wie kommerzielle DBCs.

Der Einbrenneffekt und der Gaußsche Laserstrahl führen zum Auftreten von Rillen im Graben von gelaserten DBC-Substraten. Ein ungeeigneter Parameter führt dazu, dass die abgetragene Keramikschicht an Dimples aufweist. Daher wird eine Standard-Laserbearbeitung vorgestellt, um diese beiden Arten von Keramikschäden zu lösen. Allerdings wird die Laserbearbeitungszeit beim Lasern von DBC erhöht. Daher wird eine optimierte Laserbearbeitung vorgestellt, die auch diese beiden Arten von Keramikschäden vermeiden und die Laserbearbeitungszeit für DBC reduzieren kann. Durch die spezielle Strukturierung tritt jedoch eine weitere Art der Keramikschädigung auf.

Abstract

Ceramic circuit carriers such as DBC are widely used as one of the key components in modern power modules. Due to the long delivery time, high tooling costs and high minimum quantity order, etched DBC substrate loses the flexibility for R&D. This thesis provides an alternative solution for the DBC manufacturing by using an USP laser. It can provide a low minimum quantity order for labor research in a short delivery time. In addition, laser machining has the flexibility of changing layout without additional tooling costs.

The applied USP laser has a pulse duration of 875 ± 125 fs and a laser spot diameter of 28 μm. It provides laser fluences up to 8.10 J/cm2. The laser ablation rate on copper is highly effective at high fluence of 8.10 J/cm2. At low fluence of 0.81 J/cm2, the ablation on ceramic Al2O3 and ZTA is not effective. An initial laser machining for lasering DBC is presented thanks to these laser ablation characteristics on copper and ceramics. The master cards for these lasered DBC substrates are provided by the company Heraeus.
The lasered DBC substrates are compared with commercial DBC substrates in terms of geometry, electrical properties and thermal cycling capability performance. Lasered DBC substrates didn’t display significant difference in these properties. The surface roughness of lasered DBCs is reduced with laser polishing. According to partial discharge measurement, partial discharge inception voltage (PDIV) of lasered DBCs is in the same range as conventional etched DBCs from Heraeus. In the thermal cycling test, lasered alumina DBCs with dimples display inferior reliability due to the undesirable dimple structure. Other types of lasered DBCs demonstrate similar results to commercial DBCs.

The burn-in effect and Gaussian laser beam lead to the occurrence of grooves on the trench of lasered DBC substrates. An inappropriate parameter leads to the ablated ceramic layer in dimples. Thus, a standard laser machining is presented to prevent these two types of ceramic damage. However, the laser machining time of DBC is increased. Thus, an optimized laser machining is given, which can avoid these two types of ceramic damage and also reduce the laser machining time for DBC. However, an additional type of ceramic damage occurs due to the special structuring.

Bearbeiter: Xuelun Zhang

Betreuer: Christoph Bayer (Fraunhofer IISB) – Telefon: 09131-761215; Email: Christoph.Bayer@iisb.fraunhofer.de

Für Studienfächer: Mechatronik

Verantwortlicher: Prof. Dr.-Ing. Martin März