Dynex Semiconductor Ltd, ein innovatives Unternehmen, das in den 1950er Jahren gegründet wurde und seinen Sitz in Lincoln, England, hat, genießt seit langem einen guten Ruf für die Konzeption, Entwicklung und Herstellung von Hochleistungs-Halbleitermodulen und Leistungsbaugruppen. Ihre sorgfältig entwickelten bipolaren Kapselbauelemente, IGBT-Module und Leistungsbaugruppen werden in verschiedenen leistungselektronischen Systemen eingesetzt. Dynex ist bestrebt, Energieeffizienz und Umweltverträglichkeit zu gewährleisten, und strebt optimale Ergebnisse bei minimalem Ausschuss an. Zur Einhaltung seiner hohen Produktionsstandards entschied sich Dynex für das marktführende Videomesssystem NEXIV VMZ-S3020 von Nikon.
Hochleistungs-Halbleitermodule wie IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistors), die typischerweise Spannungen bis zu 6.500 V und Ströme bis zu 3.600 A verarbeiten, erzeugen während des Betriebs erhebliche Wärme, die abgeleitet werden muss. Ausschlaggebend hierfür ist die Grundplatte, auf der die elektrischen Komponenten montiert sind. Es wird an einem Kühlkörper befestigt und muss eine gute thermische Schnittstelle mit gleichmäßiger Dicke bilden, ohne eingeschlossene Luft (die ein schlechter Wärmeleiter ist) oder andere Fehlstellen, die zu Überhitzungen, hohen Übergangstemperaturen und verminderter Zuverlässigkeit führen könnten. Die Platte weist daher eine leichte Wölbung auf, die konvex weg von der Elektronik verläuft, sodass sie an sechs Stellen mit einem vorgegebenen Drehmoment zuverlässig am Kühlkörper verschraubt werden kann, um sicherzustellen, dass sie absolut flach aufliegt.
Die NEXIV-Systeme von Nikon Metrology, Teil der Industrial Solutions Business Unit (IDSBU), stellen sicher, dass die von Dynex Semiconductor hergestellten Produkte nicht durch derartige Lufteinschlüsse beeinträchtigt werden und es dadurch zu Leistungseinbußen oder Modulausfällen kommt. Die Qualitätskontrolle (QC) der Krümmung oder Wölbung der Aluminium-Siliziumkarbid-Metallmatrix-Verbundplatten wird nun mithilfe eines Nikon NEXIV VMZ-S3020 Typ 2 Videomesssystems durchgeführt, das Mitte 2024 angeschafft und installiert wurde. Dadurch können Hersteller, die Dynex-Produkte für Elektrofahrzeuge, erneuerbare Energien, industrielle Antriebe, Eisenbahntraktion, Elektrolyse und ähnliche Anwendungen mit hoher Leistungsdichte einsetzen, auf langfristige Zuverlässigkeit und beste Leistung vertrauen.
Die Krümmung der Platten beträgt zwischen Mitte und Rand bis zu 500 μm, ein Maß, das während der Herstellung genauestens eingehalten werden muss. Die ursprüngliche Qualitätskontrollmethode bei Dynex sollte mithilfe einer Tastsonde die Positionen auf der gekrümmten Oberfläche manuell überprüfen. Der Prozess war jedoch zeitaufwendig und konnte einzelne Positionen im 3D-Raum nicht besser als mit einer Genauigkeit von ±10 μm messen. Das war vor 2012, als Dynex sein erstes Nikon NEXIV-Messsystem, ein Modell VMR-3020, anschaffte, das den Inspektionsprozess revolutionierte, da es in der Lage war, weitaus mehr Punkte auf einem 1-mm-Raster über die gesamte Oberfläche der Platte vollautomatisch und innerhalb der Toleranzgrenzen zu messen. Es war nicht nur ein präziseres Messinstrument, sondern lieferte auch eine bessere ganzheitliche Bewertung der Gesamtform der Platte.
Zwölf Jahre später ersetzte das Nachfolgemodell VMZ-S3020 die VMR bei Dynex, wodurch die Qualitätskontrolle weiter verbessert und das Gerät für Forschungs- und Entwicklungsaktivitäten sowie die Behebung gelegentlicher Probleme in der Produktionslinie genutzt wird. Für die letztgenannten werden schriftliche Berichte und farbige Heatmaps für das Betriebspersonal erstellt, damit bei Bedarf Abhilfemaßnahmen ergriffen werden können. Das VMZ-S3020 verfügt über eine doppelte Vergrößerung von 540x und bietet eine hochauflösende Beobachtung sowie ein großes Sichtfeld und einen großen Arbeitsabstand. Außerdem ist es in der Regel 50 % schneller im Betrieb und verfügt über eine höhere Präzision.
Mark Addlesee, Projektmanager bei Dynex, kommentierte: „Wir haben uns nach einer umfassenden Prüfung von mindestens sieben potenziellen Anbietern von Messtechnikgeräten für den Kauf des ersten NEXIV entschieden. Aufgrund der hervorragenden Leistung der Geräte seit mehr als einem Jahrzehnt und der guten Schulungen, des ausgezeichneten Service und der kontinuierlichen Unterstützung durch den Lieferanten haben wir uns im letzten Jahr ohne zu zögern für das modernisierte Messgerät entschieden.“
Das neueste NEXIV-Modell überprüft die Grundplatten so schnell, dass die gewonnene Zeit bereits anderweitig genutzt wird.“
Das Videomesssystem NEXIV VMZ-S3020 Typ 2 von Nikon bietet hochentwickelte optische 2D- und 3D-Messungen für vielfältige industrielle Anforderungen. In dieser Anwendung werden nicht nur Elemente in X- und Y-Richtung gemessen, sondern der Tisch wird mithilfe proprietärer, hochauflösender Linearencoder immer wieder in der horizontalen Ebene unter einem optischen Kopf positioniert. Mit einem fortschrittlichen TTL-Laser-Autofokus-System (TTL = Through-The-Lens) wird dann die Höhe an jedem Punkt bestimmt. Der Laserstrahl wird direkt durch dieselbe hochwertige Nikon-Objektivlinse projiziert, die auch für die Bildaufnahme auf dem hochauflösenden CMOS-Sensor einer Digitalkamera verwendet wird, in diesem Fall einem Schwarzweißmodell. Eine ähnlich genaue Bewegung des Kopfes in der Z-Achse bestimmt, wann der reflektierte Laserstrahl scharfgestellt ist, und ermittelt somit auch die Höhe des zu untersuchenden Bauteils an dieser Stelle.
Die bei Dynex geprüften Grundplatten haben in der Regel Abmessungen von 140 x 190 mm bis zu 70 x 137 mm. Hochauflösende Scans in Abständen von 1 mm dauern bis zu einer Stunde, aber wenn eine oberflächliche Prüfung ausreicht, beispielsweise in Abständen von 15 mm, wird der Messvorgang erheblich beschleunigt. Die hohe Geschwindigkeit des NEXIV eignet sich für die erforderliche schnelle Datenerfassung durch die AutoMeasure-Software von Nikon, die grundlegende 2D-Dimensions- und 3D-Höhenmessungen durchführt.
Für eine detailliertere Auswertung der Punkthöhen und Oberflächentopografie werden die CSV-Daten in die Oberflächenanalysesoftware MountainsMap von Digital Surf übertragen. Herr Addlesee wies darauf hin, dass dieses Datenformat auch problemlos mit der Vertriebspräsentationssoftware von Dynex kompatibel ist. Taylor Swain, Prozess-/Entwicklungsingenieur bei Dynex, ist ebenfalls begeistert von der in AutoMeasure integrierten Multimedia-Software NEXIV Note, die als Support- und Schulungsinstrument dient und eine Rationalisierung der Abläufe ermöglicht.
Das neueste NEXIV-Modell überprüft die Grundplatten so schnell, dass die gewonnene Zeit bereits anderweitig genutzt wird. Beispielsweise werden die 13,5 mm großen quadratischen Chips (Halbleiterchips) von IGBTs während des Betriebs geprüft, um sicherzustellen, dass der Abstand und die Höhe der auf das Substrat gelöteten Drahtverbindungen innerhalb der Toleranz liegen. Bei kleineren Bauteilen wie Widerständen, bei denen Lötmittel im Siebdruckverfahren aufgebracht wird, wird die Ebenheit der Drahtverbindung überprüft. Eine weitere QC-Anwendung, die kürzlich von Herrn Swain durchgeführt wurde, umfasste einen 0,5-mm-Rasterscan zur Charakterisierung der Ebenheit und Parallelität einer neuen Lieferung von oberen und unteren Abdeckungen für bipolare Thyristor-Teile mit einem Durchmesser von 50 mm. Andere Ingenieure im Werk interessieren sich für die Möglichkeit, die Ebenheit und Rundheit von Bauteilen zu untersuchen, was ebenso in den Aufgabenbereich von NEXIV fällt.
Ein besonders großer Vorteil ist die umfassende Beleuchtung, die so fein abgestimmt werden kann, dass selbst die problematischsten Oberflächen bei Dynex gescannt werden können, einschließlich Oberflächen, die stark reflektieren. Zusätzlich zur episkopischen und diaskopischen Beleuchtung gibt es eine LED-Doppelringbeleuchtung um die Objektivlinse herum mit acht Segmenten, die unabhängig voneinander eingestellt werden können, um die Einfallswinkel zu verändern, den Kontrast zu optimieren, Blendungen zu minimieren und Merkmale des zu prüfenden Bauteils hervorzuheben. Im primären Anwendungsfall bei Dynex mit TTL-Laser-AF ist der Laserbetrieb zwar lichtunabhängig, aber die Beleuchtung hilft bei der Ausrichtung der Komponente vor Beginn der Messung.
Herr Swain kommentierte: „Ich habe die Stitching-Bilder in der NEXIV-Software häufig verwendet und bin sehr davon begeistert, wenn ich hochauflösende Mikroskopaufnahmen in bestimmten Bereichen mache, damit diese zu einem einzigen hochauflösenden Bild eines bestimmten Bereichs zusammengefügt werden können. In einem Fall trat Silikonöl aus einem Klebstoff aus. Dies half dabei, das Problem zu definieren und eine Lösung zu finden.“
Herr Addlesee schlussfolgert: „Das neueste NEXIV-Modell und auch sein Vorgänger verfügen über eine Vielzahl unterschiedlicher Mess- und Inspektionsfunktionen. Wir haben gerade erst begonnen, die Möglichkeiten der NEXIV-Technologie zu erschließen. Nikon unterstützt uns sehr gerne bei Schulungstagen und anderen Veranstaltungen, um unser Wissen und den Einsatz seiner Geräte auf andere geeignete Anwendungsbereiche auszuweiten, und wir freuen uns sehr auf die weitere Zusammenarbeit.“
