Zerstörungsfreie Untersuchung von Eigenspannungen und Inhomogenitäten in AlSi7Mg/SiC/70p Metall-Matrix-Verbundwerkstoffen

Abstract

Partikelverstärkte Metall-Matrix-Verbundwerkstoffe (MMC) mit einem SiC-Anteil von bis zu 70 Vol.% in einer AlSi7Mg0,25 Metall-Matrix (Al/SiC) zeigen thermische Eigenschaften (geringe thermische Ausdehnung, hohe Wärmeleitfähigkeit), die sich insbesondere für Wärmemanagement-Anwendungen in der Hochleistungselektronik eignen. Hier werden Al/SiC-Platten als Schaltungsträger und Kühlplatten in Hochleistungsmodulen, so genannten IGBT (Insolated Gate Bipolar Transistor) Modulen, eingesetzt - um einerseits die thermischen Mismatch-Spannungen zwischen keramischem Isolator und Trägerplatte so gering wie möglich zu halten und, um andererseits eine gute Wärmeabfuhr an den Elektronikbausteinen zu gewährleisten. Durch den Lötprozess und die ständig wechselnde, thermische Belastung der Module während des Betriebs, kommt es aufgrund von Eigenspannungen und Materialinhomogenitäten (insbesondere Mikroporen) zu einem Verzug der Platten. Dieser kann zu einer reduzierten Wärmeabfuhr oder Lotermüdung (Delamination) führen und hat damit großen Einfluss auf Lebensdauer und Zuverlässigkeit der Module.<br />Bei mehrphasigen Werkstoffen, wie MMCs, treten Mikroeigenspannungen als Folge unterschiedlicher, physikalischer und mechanischer Eigenschaften der Phasen auf. Zur zerstörungsfreien, phasenselektiven Charakterisierung der Eigenspannungen wurden Beugungsexperimente mit Röntgen-, Synchrotron- und Neutronenstrahlung bei Raumtemperatur, aber auch in-situ unter zyklischer Temperaturbelastung bis 500 °C an verschieden hergestellten und gezielt wärmebehandelten (Simulation des Lötprozesses) Verbundwerkstoffen durchgeführt. In Aluminium liegen üblicherweise Zugspannungen vor, weniger ausgeprägt ebenso in Silizium, während in Siliziumcarbid hydrostatische Druckspannungen entstehen. Eigenspannungsentwicklungen in Platten verschiedener Hersteller zeigen keine signifikanten Unterschiede. Die Eigenspannungen relaxieren nach dem ersten Aufheizzyklus je nach thermischer Vorgeschichte unterschiedlich, alle weiteren Zyklen verlaufen reproduzierbar (stabiler Gleichgewichtszustand). Langsam abgekühlte Proben befinden sich bereits im Ausgangszustand im Gleichgewicht, während unbehandelte oder abgeschreckte Proben bei Temperaturzyklierung deutliche Abweichungen (z. T. mit Spannungsumkehr) mit ausgeprägten Hystereseschleifen bis zum Erreichen des Gleichgewichtszustands zeigen.<br />Relaxationsvorgänge verlaufen an der Oberfläche als auch im Inneren der Platten gleichermaßen. Es kommt zu einer Umordnung und Ausheilung von Versetzungen. Darüber hinaus liegen ausgeprägte Eigenspannungsgradienten in den Al/SiC-Platten vor, die eng mit der inhomogenen Porendichteverteilung korreliert sind. Auftretende Materialinhomogenitäten wurden mit Hilfe der hochauflösenden Computer-Tomographie mit Synchrotronstrahlung charakterisiert. Neben der klassischen Absorptionstomographie wurde eine einfache Variante der Phasenkontrastabbildung, die sog. Holotomographie, genutzt. Somit wurde neben der Absorption die innere Massen- bzw. Elektronendichteverteilung mit einer effektiven Auflösung von 0,28 µm (Pixelgröße) dreidimensional erhalten. Es wurden lokal (Mikro-)Poren (~ 1 µm) und deren inhomogene Verteilung sowie Effekte der Materialermüdung durch Temperaturzyklieren beobachtet. Bei schneller Temperaturzyklierung wachsen vorhandene (Mikro-)Poren zusammen und bilden schon recht bald ausgeprägte Risse (Delaminationen) zwischen den Partikeln und der Metallmatrix. Das Ultraschall-Impulsecho-Verfahren wurde zusätzlich eingesetzt, um global und zerstörungsfrei Informationen über Materialinhomogenitäten in den massiven und räumlich ausgedehnten Werkstücken zu erhalten.<br />Ultraschall-Laufzeitbilder zeigen die Poren- und SiC-Partikel-Verteilung lateral über die gesamte, planparallele Platte hinweg. Dieses Verfahren ist in Kombination mit strukturellen und mikrostrukturellen Prüfmethoden sehr gut zur zerstörungsfreien routinemäßigen Qualitätskontrolle geeignet.<br />

Particulate reinforced metal matrix composites (MMC) with up to 70 vol.% silicon carbide particles in a cast AlSi7Mg0,25 metal matrix (Al/SiC) show attractive thermal properties (low thermal expansion, high thermal conductivity) which are especially suitable for thermal management applications in high power electronics. Al/SiC-plates are used as baseplates and heat sinks for high power modules, so called IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor), to reduce thermally induced mismatch stresses between baseplate and ceramic substrate and to provide high heat dissipation of Ohmic losses in electronic components. Due to the soldering process and the permanently changing thermal load of the modules during operation, residual stresses and material inhomogeneities (especially micropores) cause baseplate distortions. This can lead to reduced heat dissipation or solder fatigue (delamination) and has a strong influence on lifetime and reliability of the modules.<br />Multiphase materials like MMCs include micro residual stresses as a result of different physical and mechanical properties of the phases. In order to characterise the residual stresses in a non-destructive and phase selective way, diffraction experiments with X-rays, Synchrotron and Neutron radiation at room temperature as well as under cyclic thermal load up to 500 °C were carried out on differently manufactured and thermally treated (simulation of soldering process) composite materials. In general aluminium includes tensile stresses, which also exist in silicon to a lesser degree, whereas hydrostatic compressional stresses arise in silicon carbide. No significant differences between the samples made by different manufacturers are observed. The relaxation of the residual stresses during the first temperature cycle depends on the thermal history (slow cooling, respectively quenching) of the Al/SiC-plates. All additional cycles show reproduceable strain / stress developments with stable equilibrium states. Slowly cooled samples have reached their equilibrium state in the initial state. In contrast to that, temperature cycling of untreated or quenched samples shows significant differences (partially including reversed stresses) with significant hysteresis loops until the equilibrium state is reached.<br />Equal relaxation processes exist both at the surface and inside the plates. Dislocation rearrangements and annihilation appear.<br />Additionally, significant residual stress gradients exist in the Al/SiC-plates which are closely correlated with the inhomogeneous distribution of the pore density. Material inhomogeneities where characterised using high resolution Computer Tomography with synchrotron radiation. In addition to the classical Absorption Tomography a simple variant of phase contrast imaging - the so-called Holotomography - was used. Doing so, both the absorption and the inner distribution of mass respectively electron density with an effective resolution of 0.28 µm (pixel size) was received in a three-dimensional way. (Micro-) pores (~ 1 µm) and their inhomogeneous distribution, as well as effects of material fatigue due to temperature cycling were observed locally. Under fast thermal cycling existing micropores grow together and lead to cracks (delaminations) between the particles and the metal ma-trix quite soon. The Ultrasonic Pulse-echo method was utilised additionally in order to receive information about material inhomogeneities of the massive and spacious components in a global and non-destructive way.<br />Ultrasonic Time-of-Flight images provide lateral observations of the distribution of pores and SiC particles over the complete plan parallel plate. This method combined with structural or microstructural testing methods is very suitable for non-destructive routinely quality control.