Bild 4: Im Inverter des Audi E-Tron sind diese Double-Side Cooling Power Modules von Hitachi verbaut.

(Bild: SystemPlus)

Bild 1: Das Level der Elektrifizierung im Vergleich der damit erreichbaren Kohlendioxid-Reduzierung; BEV und FCEV stehen an der Spitze.

Bild 1: Das Level der Elektrifizierung im Vergleich der damit erreichbaren Kohlendioxid-Reduzierung; BEV und FCEV stehen an der Spitze. Yole

Derzeit konzentrieren sich Automobilhersteller auf die Fahrzeugelektrifizierung als sehr effektive Möglichkeit zur Reduktion der CO2-Emissionen der Fahrzeugflotte und zur Vermeidung von kostspieligen Strafen. Es haben Fahrzeugmodelle mit unterschiedlichen Elektrifizierungsebenen den Markt erobert: von Mildhybrid-Elektrofahrzeugen (MHEV) über Vollhybrid-Elektrofahrzeuge (HEV) und Plug-in-Hybrid-Elektrofahrzeuge (PHEV) bis hin zu vollkommen emissionsfreien batteriebetriebenen Elektrofahrzeugen (BEV) und Brennstoffzellen-Elektrofahrzeugen (FCEV) (Bild 1).

In der Vergangenheit wurde erwartet, dass der Übergang zu vollelektrischen Fahrzeugen eher langsam und schrittweise erfolgen würde, vor allem aufgrund der hohen Kosten für die Batterie und der eher kurzen Reichweite von Elektrofahrzeugen. Durch die rasch voranschreitende Optimierung der Batterietechnologie, die sinkenden Fertigungskosten für die Batterie, die Konsolidierung der Lieferkette und zahlreiche andere Faktoren (Bild 2) wird nun eine beschleunigte Bereitstellung von Elektrofahrzeugen beobachtet.

Marktentwicklung bei Elektro- und Hybridelektrofahrzeugen

Bild 2: Die beschleunigte Bereitstellung von Elektrofahrzeugen ist unter anderem auf optimierte Batterietechnologie, sinkende Fertigungskosten und eine konsolidierte Lieferkette zurückzuführen.

Bild 2: Die beschleunigte Bereitstellung von Elektrofahrzeugen ist unter anderem auf optimierte Batterietechnologie, sinkende Fertigungskosten und eine konsolidierte Lieferkette zurückzuführen. Yole

Elektro- und Hybridelektrofahrzeuge wurden zum Hauptantrieb für Innovationen im Bereich der Leistungselektronikbranche, wobei der Fokus deutlich auf Antriebsumrichtern für batteriebetriebene Elektrofahrzeuge liegt. Der EV / HEV-Markt wird im Jahr 2026 wohl 41 Millionen Fahrzeuge überschreiten und eine CAGR2019-2026 (Compound Annual Growth Rate, durchschnittliches Marktwachstum) von 35 Prozent erzielen. Warum gerade batteriebetriebene Elektrofahrzeuge? Batteriebetriebene Elektrofahrzeuge stellen bereits einen relativ großen und rasch wachsenden Markt dar und BEV werden als ultimativer Endpunkt für die Elektrifizierung von Fahrzeugen angesehen – sie bieten also eine nachhaltige Geschäftsgelegenheit.

Warum Antriebsumrichter? Der Antriebsumrichter, die Batterie und der Elektromotor sind beim Vergleich der Technologieleistung von Fahrzeugen unterschiedlicher Anbieter die drei wichtigsten Unterscheidungsmerkmale. Eine höhere Effizienz des Umrichters führt zu weniger Energieverlust auf dem Weg von der Batterie zum Motor und ermöglicht eine höhere Reichweite. Die Merkmale des Umrichters wirken sich auch direkt auf die Fahrzeugleistung und das Fahrerlebnis aus.

Boom bei Leistungsmodulen

Automobilhersteller werden in Design und Fertigung von Leistungsmodulen immer geschäftstüchtiger. Da die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen für Automobilhersteller ein relativ neues Konzept ist, dauert es einige Zeit, ein Leistungsmodul mit hoher Leistung und geringen Fertigungskosten zu entwickeln. Deshalb ziehen es manche Automobilhersteller vor, sich direkt auf die neuere SiC-MOSFET-Technologie zu konzentrieren und nicht in den Wettbewerb mit Anbietern von Leistungsmodulen zu treten, die bereits einiges an Erfahrung mit bewährten Silicium-IGBT-Leistungsmodulen für den Automobilbereich aufweisen. Dieser Fokus auf der Entwicklung von SiC-Leistungsmodulen wurde durch die Nutzung von SiC-Modulen in Antriebsumrichtern beim Tesla Model 3 verstärkt.

SiC im Automobil auf dem Vormarsch

Größere Schaltleistungen, höhere Spannungen, wenig Platzbedarf, geringes Gewicht, hoher Wirkungsgrad: E-Autos stellen hohe Anforderungen an die Leistungselektronik. Kein Wunder also, dass sich Komponenten auf SiC-Basis immer stärker durchsetzen, wie dieser Beitrag zeigt.

„Der Hauptvorteil der Siliziumkarbid-Technologie ist die hohe Leistungsdichte. Damit erfordert sie einen viel kleineren Bauraum als Lösungen mit konventionellen Silizium-Halbleitern und bietet der neuen Fahrzeuggeneration einen echten Vorteil,“ erklärt Christian André, Chairman von Rohm Semiconductor Europe im Interview. Sein Statement: SiC löst viele Probleme.

Wide-Bandgap-Technologie geht auf die nächste Stufe – 750-V-SiC-FETs für die nächste Generation an Elektrofahrzeugen: Die Leistungsvorteile von Bauelementen mit Wide-Bandgap-Prozesstechnologien sind mittlerweile anerkannt. Mit weiteren Innovationen auf architektonischer Ebene besteht die klare Aussicht, dass sie den EV-Betrieb noch effizienter gestalten und Verluste minimieren.

Versorgungssicherheit ist essenziell

Bild 3: Bis zum Jahr 2025 sollen SiC-Leistungskomponenten für EVs und HEVs ein Marktvolumen von 1,5 Milliarden US-Dollar erreichen.

Bild 3: Bis zum Jahr 2025 sollen SiC-Leistungskomponenten für EVs und HEVs ein Marktvolumen von 1,5 Milliarden US-Dollar erreichen. Yole

Die Periode 2017 – 2019 war für den SiC-Markt beeindruckend, nachdem die Erstausrüster (OEM) SiC im Model 3 nutzten und dies dann auf Model S und Model X ausgeweitet wurde. Tesla verringerte damit die Kluft zwischen Silizium- und Wide-Bandgap-Bauelementen. Seitdem ging die Entwicklung von für Fahrzeuge geeigneten SiC-Lösungen immer schneller voran, die Entwicklungsaufträge für Hauptumrichter und On-Board-Ladegeräte vervielfachten sich und es kamen neue Modelle mit integriertem SiC auf. Im Jahr 2020 brachte der chinesische OEM BYD sein HanEV-Modell auf den Markt und das US-amerikanische Unternehmen Lucid präsentierte Lucid Air – beide sind mit Hauptumrichtern mit Voll-SiC-Modulen ausgestattet. SiC hat seinen Einzug in das aufstrebende EV/HEV-Geschäft erst gestartet und es werden zahlreiche andere spannende Nutzungsgeschichten folgen. Laut dem Update zum Compound Semiconductor Monitor Q3/2020 von Yole Développement (Yole) sollen SiC-Leistungsbauelemente für EV/HEV bis zum Jahr 2025 mehr als 1,5 Milliarden US-Dollar bei einem CAGR2019 – 2025 von 29 Prozent erreichen (Bild 3).

Nach der erfolgreichen Nutzung von SiC lautete eine der wichtigsten Fragen der Branche: Wird es eine ausreichende Versorgung mit SiC-Wafers geben? Um die steigende Nachfrage zu bedienen, haben führende Substrathersteller wie Cree, SiCrystal (ein Unternehmen der Rohm-Gruppe) und II-VI große Summen in die Technologie für das Kristallwachstum investiert, während beinahe alle führenden Bauelementehersteller die Technologieentwickung beschleunigten. 2019 und 2020 unterzeichneten die führenden Hersteller wie STMicroelectronics, Infineon und ON Semiconductor langfristige Vereinbarungen mit SiC-Substratherstellern wie Cree, SiCrystal und GTAT. Seit dem Aufkommen von 800-V-Elektrofahrzeugen wurden SiC-Lösungen für 1200 V noch interessanter. Die seit einigen Jahren in Entwicklung befindlichen Antriebsumrichter-Anwendungen für die 1200-V-SiC-MOSFET-Technologie stand bei zahlreichen Bauelemente-Herstellern ganz oben auf der Prioritätenliste.

Fokus Aufbau- und Verbindungstechnik

Benötigen SiC-Module eine neue und innovative Lösung für die Aufbau- und Verbindungstechnik? Hier gilt es zunächst, die aktuellen Markt- und Technologietrends zu verstehen. Bei EVs ist der verfügbare Platz im Motorraum oft sehr eingeschränkt. Aus diesem Grund muss der Elektroantrieb deutlich kleiner sein, was eine höhere Leistungsdichte erfordert. Somit ist eine neue Aufbau- und Verbindungstechnik erforderlich, um die Komponentenleistung zu verbessern. Bei höheren Temperaturen könnte es bei der herkömmlichen Aufbau- und Verbindungstechnik mit Kunststoffgehäusen zu unterschiedlichen Problemen mit der Zuverlässigkeit vom Drahtbonding und Substrat bis hin zur Kapselung kommen. Außerdem müssen Hersteller von Leistungsmodulen einen Ausgleich zwischen hoher Zuverlässigkeit und Kosteneffizienz schaffen, um in diesem umkämpften Markt wettbewerbsfähig zu bleiben.

Da es sich bei EVs noch immer um ein relativ neues Geschäftssegment handelt, konzentrieren sich viele Hersteller auf Produktdifferenzierung, indem sie den Fokus auf hohe Leistung legen. Dies wird oft durch die Nutzung sehr spezifischer und unternehmenseigener Moduldesigns erreicht, die auf Lösungen zur Aufbau- und Verbindungstechnik basieren, die hohe Leistung und hohe Zuverlässigkeit bieten.

Trends in der Aufbau- und Verbindungstechnik

Viele Hersteller bieten noch immer herkömmliche Leistungsmodule mit Kunststoffgehäuse, Drahtbonding und einem Lötmetall auf Zinnbasis an. Neuere Lösungen ermöglichen jedoch eine bessere Integration des Moduls in das endgültige System gemäß den hohen Leistungsanforderungen. Hersteller haben unterschiedliche Lösungen entwickelt, etwa die Einschränkung des Drahtbondings oder den Einsatz von überspritzten Strukturen zur effizienteren Kühlung der Leistungshalbleiterchips, zur Reduzierung der Induktivität der elektrischen Kontaktierung und zur Verbesserung der Zuverlässigkeit. Trends in der Aufbau- und Verbindungstechnik zeigen sich auf unterschiedlichen Ebenen: das Äußere der Aufbau- und Verbindungstechnik (transfergespritzte Struktur, Kunststoff- und Metallgehäuse), Grundplattendesign (Stiftkühlkörper), Grundplattenbaugruppe (externe Grundplatte, in Metallgehäuse integrierte Grundplatte), Kühltechnologie (ein- oder beidseitige Kühlung), Substrat (SiN-AMB) sowie Chipmontage (Silbersintern, Siebdruck, zinnbasierte Montage).

Aktuelle Lösungen

Spritzgussmodule mit beidseitiger Kühlung benötigen kein Kunststoffgehäuse und ermöglichen kompaktere und sehr modulare Umrichter. Dies ist zum Beispiel beim Double Side Cooling Power Module von Hitachi der Fall. Dieses verfügt über eine integrierte Grundplatte in einem Metallgehäuse. Verbaut ist es zum Beispiel im Inverter des Audi E-Tron (Bild 4). Vergleichbar dazu bieten Infineon und Toyota ihre eigenen Lösungen für die beidseitige Kühlung an.  Die Module unterscheiden sich nicht nur aufgrund der unterschiedlichen Schalteranzahl, sondern auch aufgrund der anderen Materialien. Es wurden auch Unterschiede bei den Leiterrahmen, den Abstandhaltern und dem Material zur Chipmontage beobachtet.

Außerdem haben Substrate großen Einfluss auf die Wärmeverteilung. Früher wurde oft Kupfer als Material für Leiterrahmen verwendet, während nun immer öfter neue integrierte Stiftkühlkörper mit AMB-Keramiksubstraten (Active Metal Braze) Verwendung finden. Daneben spielt auch das Löten für die höhere Zuverlässigkeit der Module vor allem bei höheren Temperaturen eine Rolle. Immer häufiger wird das Silbersintern auf unterschiedlichen Ebenen, entweder unter dem Chip oder unter dem Substrat, eingesetzt.

Um die durch Verbindungen verursachte Induktivität zu reduzieren, wurde ein Trend hin zu Kupferclips oder größeren Verbindungen anstelle von dickem Drahtbonding beobachtet. Wie im Bericht „Mitsubishi J1- Series 650V High-Power Modules for Automotive“ von System Plus Consulting erwähnt, verwendet Mitsubishi statt des herkömmlichen Siliziumgels das neuere Epoxidharz.

SiC braucht neue Technologien

Bild 5: Der Umrichter des Tesla Model 3 enthält diese SiC-Module, bei denen die MOSFETs auf Siliziumnitrid-AMB gesintert sind.

Bild 5: Der Umrichter des Tesla Model 3 enthält diese SiC-Module, bei denen die MOSFETs auf Siliziumnitrid-AMB gesintert sind. SystemPlus

Um umfassend von den Vorteilen der SiC-Technologie profitieren zu können, müssen neue Lösungen in der Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungsbaugruppen her, da SiC-Bauelemente mit kleineren Chips bei höheren Sperrschichttemperaturen und höheren Schalfrequenzen arbeiten. Lösungen für Leistungsmodule gehen hin zu Hochleistungsmaterialien mit einer Reduzierung der Schichten, Größe und Schnittstellen bei gleichen elektrischen, thermischen und mechanischen Merkmalen. Für die höchste Leistung und Zuverlässigkeit von SiC-Leistungsmodulen für EV-Antriebsumrichter wird meist ein „Goldenes Dreieck“ vorausgesetzt: SiC-Chip, Chip-Montage durch Silbersintern und Siliziumnitrid-AMB-Keramitsubstrat. Dies ist beim SiC-Modul von STMicroelectronics für den Umrichter im Tesla Model 3 der Fall (Bild 5). Der Umrichter besteht aus 24 Leistungsmodulen auf einem Stiftkühlkörper. Die SiC-MOSFETs der Module werden auf Siliziumnitrid-AMB gesintert, über Kupferclips direkt mit den Klemmen verbunden und die Wärmeverteilung erfolgt über eine Grundplatte mit Stiftkühlkörper.

Standardisierung nicht in Sicht

Die Lösung mit der höchsten Leistung ist jedoch nicht immer die beliebteste bei den Anwendern – auch die Fertigungskosten sind ein wichtiger Auswahlfaktor. Während die Auswahl des Materials und Designs für Leistungsmodule vor allem der Leistung dienen, ist das „Design for Manufacturing“ für die Kostensenkung unumgänglich.

Die rasche Entwicklung der Technologie auf allen Designebenen und die Kosten der Module sind jene beiden Faktoren, die in den vergangenen Jahren gegen eine Standardisierung des Designs von Leistungsmodulen arbeiteten. Yole erwartet in der Zukunft noch mehr innovative Designs und Lösungen zur Aufbau- und Verbindungstechnik. Die Wichtigkeit der Kosteneinsparung während der Integrationsschritte führt dazu, dass Unternehmen innovative Lösungen zur Aufbau- und Verbindungstechnik sowie zur Modulintegration entwickeln. Als direkte Konsequenz wird die Lieferkette für die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen wohl große Veränderungen durchmachen. Auch weiterhin wird SiC stets im direkten Wettbewerb zu den geringeren Kosten und der Reife der Silizium-Technologie stehen, die selbst auch noch weiterentwickelt wird.

Dr. Ezgi Dogmus

Autorin
Technologie- und Marktanalystin für Verbindungshalbleiter bei Yole Développement

(na)

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