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Coverstory
Powermodule
Bild 1 (links): Das Skai-System für Flurförderfahrzeuge
hat ein Volumen von 5,7 Litern und ist für einen
Spitzenstrom von 400 A eff bei einer Batteriespannung von
160 V ausgelegt.
Bild 2 (rechts): Ermöglicht im Vergleich zu Vorgängergenerationen
bei gleicher Baugröße etwa 30 Prozent mehr
Leistung: Das SKiiP4-IPM in der 6-fach-Ausführung.
Gleichzeitig sind die maximalen Sperrschichttemperaturen auf
175 °C gestiegen. Das bedeutet, dass die Module einerseits kompakter
werden, aber andererseits, dass der Temperaturgradient
zwischen IGBT und Umgebungstemperatur größer wird. Dadurch
steigen die Belastungen für die Materialien. Eine Erhöhung der
Temperatur um 25 Kelvin bedeutet eine Verringerung der Zuverlässigkeit
um den Faktor 5. Anmerkung: Mit neuen Halbleitermaterialien,
wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid, lassen sich höhere
Temperaturen realisieren.
■ Stromdichten: Moderne IGBT- und Mosfet-Chips überzeugen
im Vergleich zu Vorgängermodellen mit höheren Stromdichten.
Das konventionelle Aluminimum-Dickdrahtbonden stellt bei kleinen
Oberseitenkontakten ein Hindernis für höhere Lastströme
und verbesserte Zuverlässigkeit dar. Es ist zwar möglich, das
Drahtbonden weiter zu optimieren und neue Materialien einzusetzen
– das bedeutet aber einen erheblichen Aufwand bei der Chipherstellung
und damit höhere Kosten der Halbleiter.
Die fünf beschriebenen Limits der Aufbau- und Verbindungstechnologie
sind voneinander unabhängige Faktoren. Deshalb ist
es sinnvoll nach einer integralen technischen Lösung anstelle von
Einzellösungen zu suchen.
Lötverbindungen zwischen Chip und DCB ersetzen
Das Silber-Sintern ist bereits heute ein Serienverfahren, um Lötverbindungen
zwischen Chip und DCB zu ersetzen. Durch die hohe
Schmelztemperatur von 962 °C im Vergleich zu klassischen
Loten ist die Zuverlässigkeit einer Sinterschicht um ein Vielfaches
höher. Sie ermöglicht damit den Einsatz der Leistungselektronik
bei hohen Temperaturen in anspruchsvollen Anwendungen, wie
Fahrzeugen. Vorteil: Die maximale Sperrschichttemperatur von
175 °C beträgt nur 18 Prozent der Schmelztemperatur der Sinterlage.
Das ist ein großer Unterschied zur klassischen Lötverbindung,
wo die maximale Chiptemperatur bei 60 Prozent der Schmelztemperatur
liegt und damit zu den bereits erwähnten Degradierungen
führt. Allerdings bleibt eine Zuverlässigkeitsbarriere erhalten –
nämlich die Bonddrähte auf der Chipoberseite.
Der Ersatz der Bonddrähte auf der Chipoberseite wird in der
Industrie und auf Konferenzen bereits seit einigen Jahren disku-
Bild 3 (unten): Modernes Verfahren: Die Silber-Sintertechnologie
kommt auch für die Chipoberseite und die
thermische Verbindung zum Kühlkörper zum Einsatz.
Bilder: Semikron
tiert. Die meisten Ansätze basieren auf Lötungen und integrierten
Verbindungstechnologien.
Silber-Sintertechnologie sorgt für höhere Leistungsdichte
Ein neues Verfahren: die Silber-Sintertechnologie auch auf die
Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper
anwenden. Die Chips werden durch Sinterverfahren auf der Oberseite
an eine flexible und strukturierte Platine angebunden. Die
Leiterstrukturen sind so dick, dass sie Lastströme tragen können.
Die DCB-Unterseite wird direkt auf den Kühlkörper gesintert, wie
Bild 3 verdeutlicht. Auch die elektrischen Hauptanschlüsse lassen
sich auf die DCB sintern und können damit bisherige Löt- oder
Bondverbindungen ersetzen. Der Ersatz der Wärmeleitpaste mit
Hilfe einer Silber-Sinterlage und damit die Reduktion des thermischen
Widerstandes macht es möglich, die Leistungsdichte um
über 30 Prozent zu erhöhen. Die flexible Platine mit der flächigen
Chip-Kontaktierung anstelle von Bonddrähten verbessert die Zuverlässigkeit.
Die bessere Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen der Kontaktfläche des Chips und
dem Material der Platine ist der Grund für die verbesserte Lastwechselfestigkeit.
Damit ist eine Aufbautechnik ohne Drahtbonds,
Lötungen und Wärmeleitpaste möglich.
Fazit
Die Silber-Sintertechnologie bietet Potenzial für technische Weiterentwicklungen.
Stromsensorik und Gate-Ansteuerung werden
ständig weiter miniaturisiert. Auf der Oberseite der Platine ist zukünftig
eine 3D-Integration möglich. So wird es mit dieser Technologie
möglich sein, Umrichter zu bauen, die im Vergleich zum
heutigen, modernen System nochmals eine Erhöhung des spezifischen
Leistungsvolumens von bis zu 100 Prozent realistisch erscheinen
lassen. Die Technologie wird ihre Vorteile am besten
durch integrierte, kompakte Systeme mit optimaler mechanischer
Integration entfalten. (eck) n
Der Autor: Thomas Grasshoff ist Leiter Internationales
Produktmanagement bei Semikron in Nürnberg.
14 elektronikJOURNAL 02/2011
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