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Drahtbonds und Wärmeleitpaste ade: Moderne Methoden der Verbindungstechnik, wie das Silbersintern, verbessern die Leistungselektronik.
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.
Ermöglicht im Vergleich zu Vorgängergenerationen bei gleicher Baugröße etwa 30 Prozent mehr Leistung: Das SKiiP4-IPM in der 6-fach-Ausführung.
Modernes Verfahren: Die Silber-Sintertechnologie kommt auch für die Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper zum Einsatz.

Die Leistungselektronik leistet einen zunehmenden Beitrag bei aktuellen Trendthemen, wie regenerative Energien, Elektromobilität und Energieeinsparung. Diese Anwendungsfelder ließen sich nur mit Hilfe von Innovationen erschließen, denn die Anforderungen der verschiedenen Märkte erfordern technologische Lösungen, die über den allgemeinen Industriestandard der 90er Jahre hinausgehen. Semikron versucht Trends frühzeitig aufzuspüren und stellt entsprechende Technologien zur Verfügung. 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.

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.

Die weltweit in den Fokus gerückte Umweltpolitik und ein stärker an Umweltaspekten ausgerichtetes Konsumentenverhalten bei der Auswahl von Energiequellen hat den Einfluss der Leistungselektronik als Möglichkeit der Energieumwandlung und -steuerung wachsen 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 steigenden Emissionen und abnehmenden Ressourcen entgegenzutreten. Um den Anforderungen dieser Märkte gerecht zu werden und die Akzeptanz zu verbessern, sind Weiterentwicklungen der Leistungselektronik unumgänglich.

Wichtige Themen: die Leistungsdichten erhöhen, das Bauvolumen reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern. Für Leistungselektronikhersteller ist es eine Herausforderung, diese diametralen 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 Aeff 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 Bodenplatten, das Modul­layout, 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 immer 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 Substrat­lötung 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.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 diskutiert. 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.