Basierend auf der ECP-Technologie (Embedded Components Packaging) von AT&S wurden bisher bereits aktive und passive Komponenten für Low-Power-Designs in Leiterplatten integriert und in Serienfertigung unter Einhaltung hoher Qualitätsanforderungen eingesetzt. Vor diesem Hintergrund ist die Implementierung von Leistungshalbleitern wie MOSFETs oder Dioden direkt in die Leiterplatte ein vielversprechender Ansatz, um die steigenden Anforderungen im Hinblick auf die Elektromobilität und anspruchsvolle Industrieanwendungen zu erfüllen. AT&S nutzte die ECP-Technologie zur Realisierung effizienter Power-Packaging-Lösungen und Leistungsmodule. Gegenüber der SMT-Technologie konnte der Platzbedarf eines Leistungsmoduls beispielsweise um 50 Prozent reduziert werden. Darüber hinaus wurden gute Ergebnisse beim Schaltverhalten, der Wärmeabfuhr und der elektrischen Robustheit erzielt.

Herzstück der EmPower-Implementierung sind sogenannte Power Cores als Funktionsbausteine für Leistungsmodule.

Herzstück der EmPower-Implementierung sind sogenannte Power Cores als Funktionsbausteine für Leistungsmodule. AT&S

Kupferverbindungen mit großen Querschnitten

Das Eureka Catrene-Projekt Empower von Mai 2013 bis Februar 2017 hatte das Ziel, eine Technologie für Embedded-Leistungskomponenten für Elektrofahrzeuge zu entwickeln. An diesem von AT&S koordinierten Projekt waren unter anderem ST Microelectronics, Atotech, ILFA, Continental, die TU Wien und die TU Berlin beteiligt. Die Verbindungen zwischen den Leistungsbauelementen und Bond-Drähten auf DCB-Substraten (Direct Copper Bonded) sind eine der Hauptursachen für parasitäre Induktivitäten in heutigen Leistungsgehäusen, was zu Schaltverlusten, begrenzter Lebensdauer und Zuverlässigkeitsproblemen aufgrund der hohen Verlustleistungen führt. Im Gegensatz dazu nutzt das Empower-Integrationskonzept Kupferverbindungen mit großen Querschnitten zwischen den Leistungsbauelementen und Chip-Pads mit kurzen, kupfergefüllten Vias und großem Kupferquerschnitt. Dank dieser Technologie lassen sich die erforderlichen Kupferverbindungen und Pads auf beiden Seiten des Gehäuses beliebig platzieren und sowohl die Anforderungen nach hoher elektrischer als auch thermischer Leitfähigkeit erfüllen. Zum anderen werden bei diesem Konzept die Leistungshalbleiter auf beiden Seiten mit Kupfer beschichtet und mit einem galvanischen Prozess in einen Leiterplattenaufbau eingebettet. Schließlich resultieren die möglichst kurzen elektrischen Verbindungen zwischen den Leistungshalbleitern in minimalen parasitären Induktivitäten und einer deutlichen Verbesserung des Schaltverhaltens.

Kostengünstiges Wärmemanagement

Herzstück der Empower-Implementierung sind sogenannte Power-Cores als Funktionsbausteine für Leistungsmodule. Die Innovation des neuen Leistungskonzepts sieht die Integration von Leistungsbauelementen wie MOSFETs und Dioden als Chips mit deutlich geringeren Dicken als bei SMT-Bauelementen vor. Durch die Einbettung der Leistungshalbleiter in ein Modul mit doppelseitiger Kühlung wird ein kostengünstiges und effektives Wärmemanagement realisiert. Bei dieser Technologie werden die Leistungshalbleiter so integriert, dass die Rückseite des Leistungsmoduls eine vollständige Kupferoberfläche für die Verbindung bietet und Chips mit Abmessungen bis 10 mm x 10 mm eingebettet werden können. Die Kontaktierung der Pads erfolgt auf der Bauteiloberseite mittels Micro-Via und mit voll ausgefüllten Verbindungen an der Bauteilunterseite.

Prinzip der Embedded-Power-Technologie mit Einbettung von Leistungskomponenten.

Prinzip der Embedded-Power-Technologie mit Einbettung von Leistungskomponenten. AT&S

Leiterplatten -Hersteller

AT&S ist ein Hersteller von hochwertigen Leiterplatten und IC-Substraten und industrialisiert zukunftsweisende Technologien für seine Kerngeschäfte Mobile Devices & Substrates, Automotive, Industrial und Medical. Das Unternehmen hat Produktionsstandorte in Österreich (Leoben, Fehring) sowie Werke in Indien (Nanjangud), China (Shanghai, Chongqing) und Korea (Ansan nahe Seoul) und beschäftigte im Geschäftsjahr 2017/18 rund 10.000 Mitarbeiter.

Um die Skalierbarkeit und Leistungsfähigkeit der neuen Power-Embedding-Technologie zu evaluieren, wurden mehrere Demonstratoren im Bereich von 50 W bis 50 kW entwickelt. Die Demonstratoren umfassen ein Leistungsgehäuse (50 W, 100 V, 20 A), ein Leistungsmodul (500 W, 12 bis 48 V, 20 A) für eine Pedelec-Anwendung und einen 50-kW-Wechselrichter (250 V bis 450 V, 200 A) für Hybrid-/Elektrofahrzeuge. Das thermische Verhalten und die elektrische Leistungsfähigkeit der 50-W- und 500-W-Demos wurden in verschiedenen Tests mit einer Standard-SMT-Lösung als Referenz verglichen. Das aktive Power-Cycling-Verhalten ist ein wichtiger Test für Leistungsbauelemente und -module. Tests mit den 500-W-Demonstratoren haben hier mehr als 300.000 Zyklen erfolgreich bestanden. Andere Tests mit abweichenden Temperatur- und Stress-Bedingungen überstanden 600.000 Zyklen und mehr.

Zuverlässigkeit bewiesen

Das Ergebnis des Embedded Power-Projekts belegte, dass das Konzept in Bezug auf Miniaturisierung, Schaltverhalten und Wärmemanagement ein hohes Potenzial aufweist. Die Zuverlässigkeit gemäß AEC-Q101 wurde mit verschiedenen Tests wie dem Power-Cycling nachgewiesen. Die Technologie verspricht zudem eine hohe Robustheit für Embedded-Power-Anwendungen.