AVT für Leistungshalbleiter in Si- und SiC-Technologie

Neuerungen in punkto Leistungshalbleiter: Durch das Konzept des Die-Top-Systems steigert sich nicht nur die Strombelastbarkeit des Leistungsmoduls erheblich, sondern auch seine Lastwechselfestigkeit erhöht sich um das Zehnfache oder mehr.

Dabei sind Sperrschicht-Temperaturen von bis zu 200 °C möglich. Auf den Halbleiterchip wird eine hoch leitfähige Kupferfolie mit Hilfe einer Sinterpaste aufgebracht. Sie verteilt den Strom gleichmäßiger über den Halbleiterchip, weswegen einerseits in Summe weniger Wärme entsteht und andererseits Hot-Spots im Halbleiter besser ausgeglichen werden können. Die Folie verstärkt zudem den Chip während des Produktionsprozesses des Leistungsmoduls. So können leistungsfähigere Kupferbonddrähte anstelle der bisherigen Aluminiumbonddrähte eingesetzt werden. Diese ermöglichen es, bei gleicher Modulgröße mehr Leistung oder kleinere Module bei gleichbleibender Leistung zu erzielen.

Heraeus und Danfoss hatten im Jahr 2016 eine exklusive Kooperationsvereinbarung zur Vermarktung des Die-Top-Systems von Heraeus geschlossen. Die Weiterentwicklung auf Basis der Bond-Buffer-Technologie bietet eine neuartige Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungshalbleiter in Si- und SiC-Technologie. Neuerdings ermöglicht dieser Technologie eine mehr als 50 Prozent höhere Stromstärke des Chips und bietet eine deutlich höhere Zuverlässigkeit.

Adressieren will Heraeus vor allem den chinesischen Markt für Elektromobilität. China setzt Zeichen bei der Weiterentwicklung der Elektromobilität. Ein wesentlicher Treiber auf dem chinesischen Markt ist das von der chinesischen Regierung beschlossene Quotensystem für Elektroautos: Mit diesem werden Autohersteller zur Produktion einer festen Quote von Elektroautos und Plug-in-Hybriden verpflichtet. Ab dem Jahr 2019 müssen in- und auch ausländische Autobauer in der Produktion und im Verkauf Mindestziele beim Anteil von alternativen Antrieben einhalten, um keine Sanktionen zu erleiden. Vor diesem Hintergrund wird das Thema Leistungselektronik für Automobilhersteller immer wichtiger.

Mit dem Chipkontaktierverfahren für Leistungshalbleiter will Heraeus vor allem den chinesischen Markt für Elektromobilität adressieren, da das chinesische Quotensystem für Elektroautos die Leistungselektronik zusätzlich beflügeln wird. Heraeus

Leistungshalbleiter: Hohe elektrische und thermische Zuverlässigkeit

Allerdings müssen Bauelemente der Leistungselektronik hohe Spannungen und Betriebstemperaturen verkraften, schnell schalten können sowie erhöhte Leitungseffizienzen (niedriger on-Widerstand) aufweisen. Dabei sollen sie aber auch zuverlässig und preiswert sein. Aktuell kommen daher in Leistungsbauelementen immer häufiger Materialien mit großer Bandlücke, sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiter, wie Siliziumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) zum Einsatz, weshalb Dr. Klemens Brunner, Leiter Global Business Unit von Heraeus Electronics, erläutert: „Das mit Danfoss entwickelte Die Top System ist besonders für Anwendungen mit hohen Zuverlässigkeitsanforderungen geeignet.“

Um die Zuverlässigkeit des Chipkontaktierverfahrens im Vorfeld prüfen zu können, bietet Heraeus Electronics als einziges Unternehmen ab sofort in China mit dem Power-Cycling-Test einen neuen Engineering-Service an. In Simulationstests können Hersteller von Elektro- und Hybridautos damit Grenzen der Leistungsübertragung testen und sich direkt vor Ort davon überzeugen, ob die Technologie ihren spezifischen Anforderungen entspricht. „Hersteller von Elektro- und Hybridautos in China profitieren nun von diesen Vorteilen, indem sie in einem Power-Cycling-Test das Die-Top-System für ihre Zwecke prüfen und die Grenzen der Leistungsübertragung erkunden können“, beschreibt Klemens Brunner den besonderen Nutzen des neuen Engineering Service für Anwender.

Condura.Prime ist ein AMB-Siliziumnitrid-Substrat, das eine hohe Biege- und Bruchfestigkeit sowie Wärmeleitfähigkeit aufweist. Heraeus

Metall-Keramik-Substrat

Mit dem Metall-Keramik-Substrat Condura.Prime sowie der zugehörigen Substratfamilie Condura ergänzt Heraeus Electronics sein Engagement in der Leistungselektronik. Dabei handelt es sich um ein AMB-Siliziumnitrid-Substrat (AMB-Si3N4), das im Vergleich zu anderen Metall-Keramik-Substraten eine Vielzahl von Vorteilen bietet. Es ist mit ausgeprägten mechanischen Eigenschaften ausgestattet, die eine hohe Biege- und Bruchfestigkeit sicherstellen. Darüber hinaus bietet Condura.Prime eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit und ist für Leistungselektronikmodule in Automobil, Energie- und Traktionsanwendungen ausgelegt. Leistungselektronische Module werden insbesondere für den wachsenden Markt der Elektromobilität benötigt. Mit einer zunehmenden Anzahl von Hybrid- und Elektrofahrzeugen erwartet die Industrie effiziente und zuverlässige leistungselektronische Komponenten zu niedrigen Kosten. Metall-Keramik-Substrate, die in allen elektrischen Antriebssträngen zum Einsatz kommen, spielen hier eine Schlüsselrolle.

Die Condura-Familie besteht aus Condura.Classic (DCB-Al2O3), dem nach Herstellerangaben Standard für die Leistungselektronik, Condura.Extra (DCB-ZTA) mit verstärkter mechanischer Stabilität zur Verbesserung der Modulzuverlässigkeit und Verarbeitbarkeit sowie dem Flaggschiff Condura.Prime (AMB-Si3N4). Neben den Produkten der Condura-Familie bietet Heraeus weitere Optionen und Dienstleistungen über das Produkt hinaus an. Um die Produktionsausbeute zu verbessern, Produktionsrisiken zu reduzieren und Reinigungsschritte zu vermeiden, können Condura-Substrate mit vorapplizierten, flussmittelfreien Lotdepots für die Chiplötung angeliefert werden. Dadurch wird die Anzahl der Prozessschritte für den Die-Attach um die Hälfte reduziert und der Lötprozess erheblich vereinfacht, verspricht Heraeus. Rund um die Leistungselektronik bietet der Hersteller auch Engineering-Services inklusive Simulation, Prototypen-Design und Herstellung sowie Tests und Analysen an.