Mehr Leistung aus kleinerem Bauraum, bei höherer Lebensdauer und zu günstigeren Kosten – dies sind kurz zusammengefasst die Anforderungen an neue Generationen von Leistungshalbleitermodulen. Bei Windkraft- und Solaranlagen wird dies in erster Linie durch den höheren Kostendruck bei Investitionen und insbesondere Betriebskosten getrieben. Bei E-Mobility-Anwendungen kommen zusätzlich strikte Anforderungen an den Bauraum hinzu. IGBT- und MOSFET-Halbleiter entwickeln sich stetig weiter und ermöglichen immer höhere Ströme auf immer kleineren Chipflächen, was enorme Anforderungen an das thermische Management stellt.
Traditionelle Aufbau- und Verbindungstechniken, bei denen Halbleiterbauelemente auf Substrate gelötet, die Chipoberseitenverbindungen über Bonddrähte hergestellt und dies dann zusammen auf eine, zumeist aus Kupfer bestehende, Bodenplatte gelötet werden, stossen mehr und mehr an Grenzen, diese Anforderungen zu erfüllen.
Zielkonflikt zwischen Leistung und Zuverlässigkeit
Der thermische Widerstand von Leistungsmodulen wird im Wesentlichen von den zwischen Halbleiterelementen und Kühlkörper befindlichen Materialien, deren Dicke und der zur Wärmespreizung verfügbaren Fläche bestimmt. Neben mechanischer Stabilität und guter Wärmeabfuhr muss auch die elektrische Isolation zu Spannung führenden Komponenten gewährleistet sein. Daraus ergibt sich für den Aufbau die Notwendigkeit, mehrere Schichten unterschiedlicher Materialien miteinander zu verbinden, die sich aufgrund ihrer unterschiedlichen elektrischen Eigenschaften leider auch erheblich in ihren thermischen Ausdehnungskoeffizienten unterscheiden. Die im Betrieb auftretenden Temperaturänderungen führen zu einem kontinuierlich wechselnden mechanischen Stress zwischen diesen Schichten, was zur Degeneration und letztendlich zum Ausfall des gesamten Systems führt.
Durch optimierte Wahl der Materialien und eher grösser gewählten Schichtdicken wird versucht, einen Kompromiss zwischen Wärmewiderstand, Lebensdauer und Kosten zu finden. Hinzu kommen prozessbedingte Einflüsse wie Lotlunker und Schwankungen in der Lotschichtdicke, welche wiederum Einfluss auf den Wärmewiderstand hat. So liegt der Anteil der Bodenplatten- und Chiplötung am Gesamtwärmewiderstand vom Halbleiter bis zum Kühlkörper Rth(c-s), typischerweise zusammen bei etwa 25 %.
Aufbau- und Verbindungstechnik Direct Pressed Die
Mehr Leistung auf gleicher Modulfläche kann erzielt werden, indem der Wärmewiderstand zwischen Halbleiterbauelement und Kühler reduziert wird und damit mehr thermische Verluste bei gleicher Halbleitertemperatur abgeführt werden können. Ist es darüber hinaus möglich, die Streuinduktivität durch ein verbessertes Layout zu verringern, können die Halbleiter schneller geschaltet werden, was wiederum die Verluste reduziert und zusätzliche Ausgangsleistung ermöglicht. Diese Ziele hat die neue Aufbau- und Verbindungstechnik «Direct Pressed Die» (DPD). Im Gegensatz zur traditionellen Technik bei der Kupfer-Keramiksubstrate «Direct Copper Bond» (DCB) auf eine Bodenplatte verlötet werden, liegt das Substrat hier mit den darauf befindlichen Halbleiterbauelementen nur auf der Bodenplatte bzw. dem Kühler auf.
Die thermische Verbindung zur Bodenplatte bzw. Kühler wird durch einen definierten Druck auf die Chipoberseiten hergestellt, womit alle Kavitäten unterhalb der Halbleiterbauelemente eliminiert werden. Ausserdem kann auf die den Wärmewiderstand negativ beeinflussende Bodenplattenlötung komplett verzichtet werden. Die dadurch zwischen DCB und Bodenplatte bzw. Kühler entstandene Verbindung ist vom thermischen Widerstand her einer stoffschlüssigen Metall-Metall-Verbindung vergleichbar. Da die Schichten hier aber nicht fest miteinander verbunden sind, können sie sich bei Temperaturveränderungen nun lateral gegeneinander verschieben, wodurch der mechanische Stress in den Schichten stark reduziert wird. Durch diese Entkopplung tritt auch kein Bimetalleffekt auf, was wiederum die Wärmeleitfähigkeit zwischen Bodenplatte und dem darunter liegenden, zumeist angeschraubten, Kühlkörper erhöht.
Gesinterter Flexlayer als Verbindungsebene
Da zur Druckeinleitung die Halbleiteroberseite als plane Druckfläche zugänglich sein muss, lässt sich die DPD-Technologie nicht auf drahtgebondete Module anwenden. Stattdessen wird ein zweilagiger Flexlayer auf die Halbleiterbauelemente und diese dann auf das Substrat gesintert. Die Kombination von Sinterung und Flexlayer ermöglicht zudem eine erheblich höhere Lebensdauer gegenüber klassischen Aluminiumbonddrahtverbindungen und gleichzeitig eine höhere maximale Chiptemperatur. Grund dafür ist die wesentlich höhere Solidustemperatur des Sintermaterials gegenüber Loten und der damit verbundenen erhöhten Robustheit der Verbindung. Kommutierungspfade und Ansteuersignale können sehr niederinduktiv und optimal realisiert werden, was das dynamische Schaltverhalten erheblich verbessert.
20 % besserer Wärmewiderstand
Insgesamt lässt sich der Wärmewiderstand gegenüber den traditionellen Lötmodulen bei Verwendung gleichen DCB Materials um bis zu 20 % verbessern. Darüber hinaus können, durch den nun stressreduzierten Aufbau, thermisch optimierte Keramikmaterialien verwendet werden. Diese zeichnen sich durch einen wesentlich geringeren Wärmewiderstand, bei leider aber auch verminderter mechanischer Robustheit aus, was ihre Verwendung in Lotmodulen zumeist ausschliesst. Die Verwendung in DPD-Modulen ist aber möglich, wodurch nochmals bis zu 25 % Verbesserung am Wärmewiderstand erzielt werden kann.
Integriertes Drucksystem und erhöhte Lebensdauer
Die technischen Anforderungen an das DPD-Drucksystem sind hoch. Über einen grossen Temperaturbereich und ein lange Lebensdauer muss ein definierter Druck aufgebaut bleiben, und ebenso müssen die elektrischen Isolationseigenschaften über verschiedenste Klimabedingungen eingehalten werden. Dies stellt hohe Ansprüche an das Design und die zu verwendenden Materialien. Neuartige Silikone, welche die Anforderungen an hohe Temperaturstabilität bei geringem Masseverlust und definierter Elastizität erfüllen, bieten sich hier an und sind zudem auch noch kostengünstig zu realisieren.
Wie beschrieben, bestimmt im Wesentlichen der thermomechanische Stress zwischen stoffschlüssig verbundenen Schichten sowie deren Robustheit die Lebensdauer von Leistungshalbleitermodulen. Die mechanische Entkopplung dieser Schichten gestattet je nach Anwendung und verwendeten Materialen eine um den Faktor 10 bis 20 höhere Lebensdauer. Gerade bei Anwendungen wie Offshorewindparks, bei denen die Wartungen meist mit grossem Aufwand und hohen Kosten verbunden sind, ergeben sich erhebliche wirtschaftliche Vorteile. Über dies hinaus können Umrichter, die Module in DPD-Technologie verwenden, kompakter aufgebaut werden, was die Anlagenkosten senkt.
Höhere Leistung und Lebensdauer bei weniger Raumbedarf
DPD-Technologie ermöglicht eine erheblich höhere Leistungsdichte bei gleichzeitig höherer Lebensdauer gegenüber der traditionellen, auf Lot basierenden Aufbau- und Verbindungstechnik. Damit eröffnet sie neue Systemlösungen für die immer höheren Anforderungen an die Leistungselektronik moderner regenerativer Energieanlagen, sowie in der elektrischen Antriebstechnik.
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