SKiN Technology - Semikron

Anforderungen zu realisieren. Zusätzlich werden immer höhere
Leistungen gefordert – das heißt, Themen, wie Parallelschaltung
und thermisches Management, erhalten zusätzliche Bedeutung.
Die Leistungselektronik für die stark wachsenden Märkte erneuerbare
Energien und Elektrofahrzeuge profitiert in zwei Bereichen:
Erstens sind Leistungshalbleiter für die Energieumwandlung bei
der Erzeugung notwendig, zum Beispiel für Umrichter in Windkrafträdern.
Zweitens sind diese Bauelemente das Kernelement bei
drehzahlgesteuerten Umrichtern und damit der effizienten Energie-Nutzbarmachung.
Schlüsselfaktoren: hohe Zuverlässigkeit
und niedrige Kosten
In elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss die Leistungselektronik
besonders platzsparend und gewichtsarm sein. Darüber hinaus
muss sie auch zuverlässig in rauer Umgebung funktionieren. Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Semikron den klassischen
Technologieweg der Modulbasis verlassen und soweit wie
möglich alle Funktionen des leistungselektronischen Systems mechanisch
integriert. Bild 1 zeigt das aktuelle System für Flurförderfahrzeuge.
Die Herausforderung in der Entwicklung liegt darin,
widerstrebende elektrische, mechanische und thermische Ansprüche
mit höchstmöglicher Zuverlässigkeit und zu vernünftigen
Kosten zu realisieren. Der Umrichter mit einem Volumen von 5,7
Litern hat einen Spitzenstrom von 400 A eff bei einer Batteriespannung
von 160 V und lässt sich direkt auf der Antriebsachse eines
Fahrzeugs montieren. Für diese Anordnung muss das System eine
einwandfreie Funktion bei Vibrationen von 12 g und mechanischem
Stoß bis 100 g gewähren, und das für 20.000 Betriebsstunden
unter Außentemperaturen zwischen -40 und +85 °C.
Schon für die ersten Windkraftanlagen entwickelte Semikron
vor 20 Jahren IGBT-Module, die mit einer modernen Druckkontakttechnik
und funktionaler Integration von Leistung, Ansteuerung
und Sensorik den Herausforderungen dieser Applikation in
Bezug auf Langzeitzuverlässigkeit und Leistungsdichte gewachsen
waren. Heute sind SKiiP-IPMs der dritten Generation im Einsatz.
Mehr als 80 GW wurden bisher installiert, was in etwa der Hälfte
der bis heute installierten Windgenerator-Leistung entspricht.
Nun ist die vierte Generation, der SKiiP4, in der Markteinführungsphase.
Das SKiiP4-Leistungsmodul in der Sechsfach-Ausführung,
wie in Bild 2 zu sehen, leistet 3600 A. Im Vergleich: das
SKiiP3 als Vierfach-Ausführung bietet 1800 A, jeweils für eine
Sperrspannung von 1700 V. Mit SKiiP4 gelang es Semikron ein
IPM zu entwickeln, das bei identischer Baugröße 30 Prozent höhere
Leistung ermöglicht. Im Leistungshalbleitermodul werden die
IGBT- und Diodenchips nicht auf das Substrat gelötet, sondern gesintert.
Zwischenkreisspannungen bis zu 1300 V lassen sich durch
eine verbesserte Ansteuerung sicher beherrschen. Zudem werden
Anforderungen hinsichtlich der Anlagenaufstellung in größerer
Höhe über dem Meeresspiegel und außerhalb des Küstenbereichs
erfüllt. Zur Absicherung der geforderten niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit
unterzieht Semikron jede Einheit vor Auslieferung
einem Burn-in-Test. Wenn die Leistungselektronik in den Massenmarkt
Automobil eingesetzt wird, müssen die Systeme kleiner und
zuverlässiger werden. Das gleiche gilt für Windkraftanlagen. Bei
Off-Shore-Installationen sind Wartungseinsätze extrem teuer.
Im Blickpunkt: Aufbau- und Verbindungstechnik
Bei der klassischen Aufbau- und Verbindungstechnik existieren
heute fünf unterschiedliche technische Limits, die es in der Leistungselektronik
zu überwinden gilt: Die Lötverbindungen, die Bo-
Auf einen Blick
Leistungsbauteile und Powermodule
denplatten, das Modul layout, die Chiptemperaturen sowie die
Stromdichten.
■ Lötverbindungen: In einem konventionell gelöteten Leistungsmodul
mit einer Kupferbodenplatte stellt die Lötverbindung in der
Regel den mechanisch schwächsten Punkt des Gesamtsystems dar:
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien,
durch hohe Temperaturänderungen und wechselnde elektrische
Lasten während des Betriebes entstehen Ermüdungserscheinungen
der Lötlagen im Modulaufbau. Indizien dafür sind die sich
während des Betriebes erhöhenden thermischen Widerstände, die
zu hohen Chiptemperaturen führen. Dieser Wechselwirkungsprozess
führt unweigerlich zu einem Komponentenfehler durch
abhebende Bonddrähte. Zusätzlich gibt es bei gelöteten Verbindungen
zu einer Leiterplatte das Zuverlässigkeitsrisiko kalter Lötstellen.
■ Bodenplatten: Die Bodenplatten für Module mit großen Abmessungen
und höherer Leistung können in Bezug auf thermische
und mechanische Performance nur mit technischen Schwierigkeiten
und unter hohen Kosten realisiert werden. Die einseitige
Substrat lötung erzeugt einen Bimetalleffekt, der nicht homogene
Verwindungen verursacht. Dadurch ist die thermische Anbindung
an den Kühlkörper nicht optimal. Anstelle einer Kühlkörperanbindung
mit quasi metallischem Kontakt muss die Lücke zwischen
Bodenplatte und Kühlkörper mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt
werden, die von Haus aus schlechte thermische Eigenschaften mitbringt.
Ergebnis: eine Barriere im thermischen Gesamtsystem. Die
Wärmeleitpaste hat einen thermischen Widerstand der 400-mal
höher als der von Kupfer ist. Diese Schicht ist für bis zu 60 Prozent
des thermischen Widerstandes zwischen Chip und Kühlmedium
verantwortlich.
■ Das Modullayout: Bei Modulen ab 150 A müssen Chips auf der
DCB parallel geschaltet werden, um größere Stromratings zu erzielen.
Durch die mechanischen Restriktionen beim Layout konventioneller
Bodenplattenmodule ist eine ideale Symmetrie oft
nicht erreichbar. Das Ergebnis sind Inhomogenitäten im Schaltverhalten
parallel geschalteter Chips und unterschiedliche Ströme
an den Chippositionen. Deshalb wird im Datenblatt immer der
schwächste Chip spezifiziert. Interne Aufbauten mit Bonddrähten
oder Verbindern verschlechtern die Leitwiderstände im Modul
und führen zu hohen Streuinduktivitäten.
■ Chiptemperaturen: Weiterentwicklungen in der IGBT-Technologie
ermöglichen feinere IGBT-Zellstrukturen und damit kleinere
Chips. Das wird auch durch den Druck, die Kosten der Leistungshalbleiter
zu minimieren, forciert. Mit kleineren Komponenten
geht eine Erhöhung der Stromdichten einher, denn die Chips sind
die letzten Jahre im Schnitt um 35 Prozent kleiner geworden.
Grün denken und handeln
In Zeiten von Green Electronics zur Energieeinsparung und Klimaschonung
gewinnt die Leistungselektronik zunehmend an Bedeutung.
Um die Leistungsdichte von Leistungsbausteinen zu erhöhen und diese
somit energieeffizienter sowie zuverlässiger zu gestalten, spielt
die Aufbau- und Verbindungstechnik eine wichtige Rolle. Hier haben
Wärmeleitpaste und Drahtbonds – Erbstücke des Industriemoduls –
so langsam ausgespielt. An ihrer Stelle werden in naher Zukunft in
bestimmten Applikationen hochzuverlässige Sinterschichten und
Folien zum Einsatz kommen.
infoDIREKT www.all-electronics.de 109ejl0211
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011 13