Semikron als Innovationsführer versucht Trends frühzeitig aufzuspüren und bietet entsprechende Technologien an. Dafür werden kontinuierlich die Limits existierender Technologien durch neue Wege ersetzt. Wärmeleitpaste und Drahtbonds sind die verbliebenen "Erbstücke" des Industriemoduls und die werden nun für bestimmte Applikationen durch hochzuverlässige Sinterschichten und flexible Platinen ersetzt.
Die weltweit in den Fokus gerückte Umweltpolitik und ein stärker an Umweltaspekten ausgerichtetes Konsumentenverhalten bei der Auswahl von Energiequellen hat der Leistungselektronik eine größere Bedeutung als Möglichkeit der Energieumwandlung und
–Steuerung zukommen lassen. Produkte und Anwendungen werden auf Wirkungsgrad, Zuverlässigkeit und Kompaktheit optimiert. Leistungselektronik ist eine Schlüsseltechnologie um eine zukünftige Mobilität auf Basis der Hybridtechnik und der Elektrofahrzeuge zu ermöglichen sowie den steigenden Emissionen und abnehmenden Ressourcen entgegenzutreten. Um die Anforderungen dieser Märkte gerecht zu werden und die Akzeptanz zu verbessern, sind Weiterentwicklungen der Leistungselektronik unumgänglich. Wichtige Themen dabei sind die höheren Leistungsdichten, geringeres Volumen und erhöhte Zuverlässigkeit. Für Hersteller von Leistungselektronik ist es eine Herausforderung, diese diametralen Anforderungen zu realisieren. Zusätzlich werden immer höhere Leistungen gefordert – dies heißt Themen wie Parallelschaltung und thermisches Management erhalten zusätzliche Bedeutung. Die Leistungselektronik für den zukünftigen und stark wachsenden Markt der erneuerbare Energien und der Elektrofahrzeuge profitiert in zwei Bereichen. Erstens sind Leistungshalbleiter für die Energieumwandlung bei der Erzeugung z.B. bei Umrichtern in Windkrafträdern notwendig. Zweitens sind Leistungshalbleiter das Kernelement bei drehzahlgesteuerten Umrichtern und damit der effizienten Nutzbarmachung der Energie.
Hohe Zuverlässigkeit und niedrige Kosten
In elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss die
Leistungselektronik besonders platzsparend und gewichtsarm sein und
zuverlässig auch in rauer Umgebung funktionieren. Um diesen
Anforderungen gerecht zu werden, hat Semikron vor langer Zeit den
klassischen Technologieweg der Modulbasis verlassen und soweit wie
möglich alle Funktionen des leistungselektronischen Systems mechanisch
integriert.
Die Herausforderung in der Entwicklung liegt darin,
widerstrebende elektrische, mechanische und thermische Anforderungen mit
höchstmöglicher Zuverlässigkeit und zu vernünftigen Kosten zu
realisieren. Der Umrichter mit einem Volumen von 5,7 Litern hat einen
Spitzenstrom von 400 Aeff bei einer Batteriespannung von 160 V und ist
geeignet, direkt auf der Antriebsachse eines Fahrzeugs montiert zu
werden. Für diese Anordnung muss das System 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 völlig neuen
Druckkontakttechnik und funktionaler Integration von Leistung,
Ansteuerung und Sensorik den Herausforderungen dieser völlig neuen
Anwendung bezüglich Langzeitzuverlässigkeit und Leistungsdichte
gewachsen waren. Heute sind die SKiiP-IPMs in 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-Intelligentes Integriertes Modul in
der 6-fach- Ausführung leistet 3600 A (im Vergleich SKiiP3 als
4-fach-Ausführung 1800 A, jeweils für 1700 V Sperrspannung). Mit SKiiP4
ist es gelungen ein IPM zu entwickeln, das bei identischer Baugröße 30%
höhere Leistung ermöglicht. Im Leistungshalbleitermodul werden die Chips
der neuesten IGBT- und Diodengeneration nicht auf das Substrat gelötet,
sondern gesintert. Zwischenkreisspannungen bis zu 1300 V werden durch
eine verbesserte Ansteuerung sicher beherrscht und den Anforderungen
hinsichtlich der Aufstellung von Anlagen in größerer Höhe ü.d.M. und
außerhalb des Küstenbereiches Rechnung getragen. Zur Absicherung der
geforderten extrem geringen Ausfallwahrscheinlichkeit wird jede Einheit
vor Auslieferung einem Burn-in-Test unterzogen. Wenn die
Leistungselektronik in den Massenmarkt Automobil eingesetzt wird, müssen
die Systeme noch 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 unterschiedliche technische Limits, die zu überwinden sind.
- Lötverbindungen
In einem konventionell gelöteten Leistungsmodul mit einer
Kupferbodenplatte stellt die Lötverbindung oft den mechanisch
schwächsten Punkt des Gesamtsystems dar. Durch die unterschiedlichen
Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, hohe Temperaturänderungen und
wechselnde elektrische Lasten während des Betriebes entstehen
Ermüdungserscheinungen der Lötlagen im Modulaufbau. Indizien dafür sind
die während des Betriebes sich erhöhenden thermischen Widerstände die zu
höheren Chiptemperaturen führen. Dieser Wechselwirkungsprozeß führt
unweigerlich zu einem Komponentenfehler durch abhebende Bonddrähte. Bei
gelöteten Verbindungen zu einer Leiterplatte gibt es zusätzlich das
Zuverlässigkeitsrisiko kalter Lötstellen.
- Bodenplatte
Bodenplatten für Module mit großen Abmessungen und dementsprechend höherer Leistung können bezüglich thermischer und
mechanischer Performance nur mit technischen Schwierigkeiten und unter
hohen Kosten realisiert werden. Die einseitige Substratlötung erzeugt
einen Bimetalleffekt die nicht homogene Verwindungen
verursacht. Dadurch ist die thermische Anbindung an den Kühlkörper nicht
optimal. Anstelle einer idealen Kühlkörperanbindung mit quasi
metallischem Kontakt muß mit Wärmeleitpaste, die schlechte thermische
Eigenschaften hat, die Lücke zwischen Bodenplatte und Kühlkörper
ausgefüllt werden. Das Ergebnis ist eine Barriere im thermischen
Gesamtsystem. Die Wärmeleitpaste hat einen thermischen Widerstand der
400-mal höher als der von Kupfer ist und diese Schicht ist für bis zu
60% 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
höheren Streuinduktivitäten.
- Chiptemperaturen
Weiterentwicklungen in der IGBT-Technologie ermöglichen feinere IGBT
Zellstrukturen und damit kleinere Chips. Das wird auch durch den Druck
zu niedrigeren Kosten der Leistungshalbleiter forciert. Mit kleineren
Chips geht eine Erhöhung der Stromdichten einher, denn die Chips sind
die letzten Jahre im Schnitt um 35% kleiner geworden. Gleichzeitig sind
die maximalen Sperrschichttemperaturen auf 175°C angehoben worden. Das
bedeutet, daß die Module immer kompakter werden können, aber
andererseits, daß der Temperaturgradient zwischen IGBT und
Umgebungstemperatur immer größer wird und die Belastungen für die
Materialien steigen. Eine Erhöhung der Temperatur um 25K bedeutet eine
Verringerung der Zuverlässigkeit um den Faktor 5. Neue Materialien wie
SiC und GaN erlauben noch höhere Temperaturen.
- Stromdichten
Neue IGBT- und MOSFET-Chiptechnologien haben höhere Stromdichten im
Vergleich zu früheren Generationen. 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, dies bedeutet aber Aufwand bei der Chipherstellung und
damit höhere Kosten der Halbleiter.
Die beschriebenen Limits der Aufbau- und
Verbindungstechnologie sind alle unabhängige Faktoren. Deshalb ist es
sinnvoll nach einer integralen technischen Lösung anstatt Einzellösungen
zu suchen.
Das Silber-Sintern ist heute bereits ein Serienverfahren,
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 und
ermöglicht damit den Einsatz der Leistungselektronik bei hohen
Temperaturen in anspruchsvollen Anwendungen wie Fahrzeugen. Die maximale
Sperrschichttemperatur von 175°C beträgt nur 18% der Schmelztemperatur
der Sinterlage. Dies ist ein großer Unterschied zur klassischen
Lötverbindung, wo die maximale Chiptemperatur bei 60% der
Schmelztemperatur liegt und damit zu den bereits erwähnten
Degradierungen führt. Jedoch bleibt eine Zuverlässigkeitsbarriere
erhalten – die Bonddrähte auf der Chipoberseite. Der Ersatz der
Bonddrähte auf der Chipoberseite wird in der Industrie und auf
Konferenzen bereits seit einigen Jahren diskutiert. Die meisten Ansätze
basieren auf Lötungen und integrierten Verbindungstechnologien.
Ein neues Verfahren ist, die Silber-Sintertechnologie auch
auf die Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper
anzuwenden. Die Chips werden auf der Oberseite mittels Sinterverfahren
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. (siehe Bild )
Auch die elektrischen Hauptanschlüsse können auf die DCB gesintert
werden und damit bisherige Löt- oder Bondverbindungen ersetzen. Der
Ersatz der Wärmeleitpaste mittels einer Silber-Sinterlage und damit die
Reduktion des thermischen Widerstandes erlaubt die Leistungsdichte um
über 30% 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.
Diese Technologie bietet Potential für technische
Weiterentwicklungen. Stromsensorik und Gate-Ansteuerung werden ständig
weiter miniaturisiert. Auf der Oberseite der Platine ist zukünftig eine
3D-Integration möglich.
Mit der Anwendung der neuen Technologie wird es möglich sein,
Umrichter zu bauen, die gegenüber dem heutigen, modernsten System
nochmals eine Erhöhung des spezifischen Leistungsvolumens von bis zu
100% realistisch erscheinen lassen. Die Technologie wird ihre Vorteile
am besten durch integrierte, kompakte Systeme mit optimaler mechanischer
Integration entfalten.
Bild: Ein neues Verfahren ist, die Silber-Sintertechnologie
auch auf die Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper
anzuwenden. Die Chips werden auf der Oberseite mittels Sinterverfahren
an eine flexible und strukturierte Platine angebunden.