Abbildung 1: Darstellung des ESPI-Sensors. Links: CAD-Modell; Mitte: Sensor ohne Gehäusedeckel; Rechts: Sensor mit Gehäusedeckel.

LongPower

Abbildung 2: (a-c) Verformung eines fehlerfreien IGBT-Chips beim aktiven Heizen, gemessen mit ESPI-System (d-f) Verformung des ausgefallenen IGBT-Chips.

Projekttitel: Holographisches Inspektionssystem für die Entwicklung und Serienherstellung anspruchsvoller Leistungselektronik

Lange Produktlebensdauer und weniger Ausschuss sind die Schlüssel zu deutlich weniger Müll. Insbesondere hybrider Elektroschrott ist weltweit zu einem riesigen Problem für Mensch und Umwelt geworden. Oft werden komplette Großgeräte, wie z. B. Waschmaschinen oder Motoren weggeworfen, weil eine verhältnismäßig kleine Elektronikkomponente nicht mehr funktioniert, da sie nicht mehr korrekt verbunden ist.

Einen Beitrag zur Lösung dieses Problems steuerte das Projekt LongPower bei, das den Aufbau eines Demonstrators zur schnellen holographischen Inspektion anspruchsvoller Leistungselektronik realisierte. Dafür entwickelte das Fraunhofer IPM einen neuartigen optischen Sensor und die Professur für Aufbau- und Verbindungstechnik am IMTEK angepasste Module für die aktive und passive thermische Anregung von Leistungselektroniken.

Im Mittelpunkt der Untersuchungen in diesem Projekt standen IGBT-Chips (Insulated-Gate Bipolar Transistor). Diese finden in der Industrie aufgrund der hohen Kollektor-Emitter-Spannung VCE von über 650 V und des hohen Stroms von mehr als 50 A vermehrt Anwendung in Leistungsmodulen für Umrichter. Für das Projekt wurden Chips mit modernen Sintermethoden auf PCB Substrate gebracht. Die Unterschiede im thermischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat, Sinterschicht und Chip führen bei thermischer Belastung zu Deformationen im Mikrometerbereich und damit häufig zum Versagen der Baugruppe. Es wurde basierend auf dem Grundprinzip der digitalen Holographie/Interferometrie ein Verfahren zur schnellen zeitaufgelösten und gleichzeitig bildgebenden Messung untersucht. Desweiteren wurden während des Projektes ein modernes, High-Speed-ESPI-System (Electronic Speckle Pattern Interferometry) zur Analyse und ein Heizsystem zur passiven Anregung der Proben konzipiert und aufgebaut. Aufgrund der Veränderung der Oberflächenform unter thermischer Belastung konnten Rückschlüsse auf fertigungsbedingte Fehler in den Bauteilen gezogen werden. Aktive Anregungen wurden dabei mit einem existierenden Lastwechselstand am IMTEK durchgeführt.

Im Zuge des Projektes konnte somit ein Qualitätsprüfsystem etabliert werden, mit dem für thermische Anregung innere Defekte in Leistungselektronik anhand der Verformungsmode eindeutig detektiert werden können.

Auf dem Demonstratorprojekt LongPower aufbauend betreut das LZN derzeit außerdem das Scalingprojekt Longpower 4.0, welches die Entwicklung und den Transfer eines industrietauglichen holographischen Inspektionssystems zur 100%-Qualitätssicherung in der Produktion zum Ziel hat.