Robles Collantes, Carlos Arturo: Characterization of the interfacial strength between the metal-matrix composites and ceramics insulators

Abstract in German:

In der Arbeit wurden die mechanischen Eigenschaften der Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid (Al2O3) und einem Metall-Matrix-Komposit (MMC) untersucht indem sie einer zyklischen Wärmebehandlung und mechanischen Tests unterzogen wurden. Hergestellt wurden diese durch Infiltrieren von porösen Aluminiumoxid in eine Vorform mit geschmolzenem Kupfer und verbunden durch Hartlöten. Eines der Ziele diese Arbeit war die Feststellung, ob diese Grenzfläche eine kritische Auswirkung auf die Lebensdauer des Leistungselektronikbauteils hat. Aus diesem Grund wurde ein neues Prüfverfahren entwickelt um diese zu charakterisieren. Um die thermomechanische Spannungen, denen die Substrate der Leistungselektronikmodule während des Betriebs ausgesetzt sind zu simulieren wurden sie eine zyklische Wärmebehandlung bei den Proben durchgeführt. Für eine unterschiedliche Anzahl an Zyklen wurde der Zustand der Bauteile mittels Ultraschall-Mikroskopie und Überwachung der Veränderung ihres Wärmewiderstandes. Ultraschall-Mikroskopie ergab dass nach 500 Wärmezyklen keine Ausbreitung oder Wachstum von Defekten an Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und MMC auftrat. Dies trat jedoch zwischen dem Kupfer und dem Al2O3 Die Ultraschall-Analyse zeigte zudem dass der Hartlötprozess im Aluminiumoxid Defekte generierte, die zu Beschädigungen der elektrischen Isolation zwischen der Kupferschicht und MMC führen können. Nach 500 Zyklen zeigte sich keine Rissfortpflanzung durch die thermomechanischen Spannungen. Keine Anzeichen für Muschelbruch waren festzustellen. Auswertung der Messwerte der thermischen Impedanz (Zth) nach 200 Zyklen zeigte, dass bei den MMC-Testvehikel eine starke Streuung (3% bis 99%) im Anstieg der thermischen Impedanz auftrat. Nach Analyse des Querschnittes einer Probe mit hohem Zth-Anstieg wurde ein Riss in der Aluminiumoxidschicht, ähnlich eine Muschelbruchs, als Grund für den starken Anstieg des Wärmewiderstandes identifiziert. In der Grenzfläche zwischen Al2O3 und MMC, wurden dabei jedoch keine Defekte festgestellt. Eine Anwesenheit von Rissen in der Aluminiumoxidschicht in manchen Proben, ausgelöst durch Kratzen der Al2O3-Schicht um einen eventuellen Kurzschluss beim Hartlöten zu entfernen, wurde im Nachhinein festgestellt, obwohl diese bei der vorherigen Ultraschall-Mikroskopie-Analyse nicht auftraten. Bei ausschließlicher Betrachtung der Proben mit geringem Zth-Anstieg wurden ähnliche Ergebnisse wie mit den DBC-Substraten nach 200 Zyklen festgestellt. Zwei verschiedenen mechanischen Prüfverfahren zur Charakterisierung der Grenzflächenfestigkeit würden durchgeführt. Ein Vier-Punkt-Biegeversuch angekerbten Proben wurden angewandt, um die Energiefreisetzungsrate bei Delamination der Grenzfläche zu berechnen. Eine Delamination konnte im Versuch nicht erzeugt werden. Die Analyse de Mechanismen des Rissfortschritts legte nahe das bei Erreichen der Grenzfläche der Riss entlang dieser im Al2O3 fortschreitet. Ursache dafür ist die hohe Festigkeit der Grenzfläche, ausreichend um eine Delaminierung zu verhindern, daher ist die Grenzfläche nicht kritisch für den Rissfortschritt. Ein Scherversuch zur Ermittlung der Scherfestigkeit wurde durchgeführt. Die Grenzfläche zeigte eine Scherfestigkeit von mehr als 70 MPa. Höhere Spannungen waren nicht möglich, da ab diesem Wert die Proben zum Brechen neigten. Eine neue Probengeometrie wurde Entworfen um höheren Spannungen zu widerstehen, jedoch war dies zeitlich im Rahmen der Arbeit nicht mehr möglich. In dieser Masterarbeit wurde herausgefunden, dass ein Überschuss an Lot beim Hartlöten das Al2O3 bedeckt und zusätzliche Spannungen erzeugt. Dadurch könnten Risse während des Lötens auftreten. Zusammenfassend ist zu sagen dass die Grenzfläche zwischen Aluminiumoxid und MMC durch die zyklische thermische Belastung nicht kritisch für das Versagen des Bauteils und der Rissausbreitung ist. Um präzisere Aussagen über die Lebensdauer des MMC-Proben unter thermischer Zyklierung zu erhalten wäre es empfehlenswert erneute Messungen der thermischen Impedanz mit neuen MMC-Proben, bein denen ein Überschuss an Lot beim Hartlöten vermeiden wird, sowie eine nachfolgende Ultraschall-Mikroskopie-Analyse zur Einschätzung des Probenzustandes. Zudem sollte der Scherversuche mit neuer Probengeometrie wiederholt werden