Mit Blick auf EMV, thermische Anbindung und Integrationsdichte Kosten optimieren

Bei der Senkung der Kosten von Leistungsmodulen ist es wichtig, neben den Kosten von Einzelbauteilen auch deren Funktionalitäten in Betracht zu ziehen. Es ist durchaus durchaus möglich, dass einzelne Komponenten und Bauteile einen höheren Preis haben, aber durch spezielle Funktionen an anderer Stelle im Gesamtsystem größere Kosteneinsparungen ermöglichen. Die Integration aller Leistungshalbleiter in ein Leistungsmodul bietet eine ganze Reihe von Vorteilen: Von der einfachen Montage über den zuverlässigen Aufbau bis hin zur schnellen Design-in-Zeit und somit einer schnelleren Markteinführung des Endproduktes. Auch ein verbessertes und optimiertes elektrisches Verhalten sowie ein vollständig getestetes und zertifiziertes Isolationssystem sind positive Begleiterscheinungen einer Integration. Eine Verringerung der Systemkosten auf Modulebene wird beispielsweise durch Verbesserung der Effizienz und der EMI, der Erhöhung der Integrationsdichte, der Vereinfachung der Produktion und schließlich durch die Optimierung hinsichtlich der Anforderungen in der Endapplikation erreicht.

Niederinduktives Design für mehr Effizienz

Die freie Positionierung der Modulpins ist ein wichtiger Freiheitsgrad im PCB-Layout, da hiermit die parasitären Induktivitäten auf der Leiterplatte minimiert werden können. Eine geringe Induktivität im Kommutierungskreis hat eine geringere Überspannung am Schaltelement zur Folge und ermöglicht somit auch die Erhöhung der Schaltfrequenz. Modulintern lässst sich die Streuinduktivität durch geschickte Platzierung der Halbleiter und Minimierung der Bonddrahtlänge verringern. Mit diesem Konzept wird weiterhin auch die zur Verfügung stehende DCB-Fläche (Direct Copper Bonding) maximal ausgenutzt.

Niederinduktive Designs sind der Schlüssel zu hochintegrierten und effizienten Leistungsmodulen. Die Auswahl der Halbleiter bestimmt neben den Kosten auch den Wirkungsgrad. Je nach Optimierungsziel kann durch den Einsatz von IGBTs aufgrund der nicht linearen Durchlasswerte der Wirkungsgrad bei Volllast optimiert werden. Der Einsatz von MOSFETs ermöglicht hingegen die Optimierung für den Teillastbereich. Einen weiteren Freiheitsgrad bietet die Möglichkeit, das aktive Schaltelement mit unterschiedlichen Dioden zu kombinieren. Durch die Verwendung von schnellen Dioden lässt sich der Wirkungsgrad verbessern, allerdings haben große Steilheiten in Strom und Spannung einen nachteiligen Effekt auf die EMV.

Kondensator in Leistungsmodul integriert

Bild 1: Kommutierungsverhalten zweier unterschiedlicher IGBT- und Diodentechnologien. Vincotech

In dem illustrierten Kommutierungsverhalten zweier unterschiedlicher IGBT-Technologien für Motorwechselrichter (Bild 1) sind die Schaltenergien gleich, der Hauptunterschied besteht in der Höhe der Dioden-Rückstromspitze und der Steilheit des Stromes während der Diodenerholzeit. Auch ist zu erkennen, dass nach der Rückstromspitze einer der IGBTs eine Oszillation im Strom aufweist. Eine geringere Rückstromspitze verbunden mit geringerer Steilheit im Stromanstieg hat eine verbesserte EMV zur Folge, was einen geringeren Filteraufwand notwendig macht. Für Anwendungen in der Stromversorgung wird zur Netzanbindung eine Leistungsfaktorkorrektur (Power Factor Correction, PFC) benötigt. Um die Größe der PFC-Drossel gering zu halten, beträgt die Schaltfrequenz hier teilweise über 100 kHz.

Bild 2: Leistungsmodul mit integrierten Kondensator und parasitären Induktivitäten der Pins und der Leiterplatte. Vincotech

Bild 2 verdeutlicht, dass ohne den integrierten Kondensator C_Snub die Induktivität der Modulpins und der Leiterplatte im Kommutierungskreis liegen. Diese Induktivitäten verursachen insbesondere bei schnellen Halbleitertechnologien wie MOSFETs einen Spannungssprung. Dieser führt zum einen zu einer erhöhten Spannung an den Schaltelementen und zum anderen zu höheren Schaltverlusten. Der integrierte Kondensator schließt die Kommutierungsschleife ab und stellt einen niederinduktiven Pfad für den hochfrequenten Strom zur Verfügung. Die Integration des Kondensators in ein DCB-Keramik-basiertes Leistungsmodul ist bei Vincotech ein qualifizierter Prozess und lässt sich ohne Einschränkungen anwenden.

Auf der folgenden Seite erfahren Sie, wie sich bei Leistungsmodulen die thermische Anbindung verbessern lässt und wie Siliziumnitrid die Modulkosten senkt.

Thermische Anbindung verbessern

Neben den elektrischen Parametern ist die thermische Anbindung des Leistungsmoduls an den Kühlkörper und die damit verbundene Entwärmung der Leistungshalbleiter wichtig. Der thermische Widerstand zwischen Halbleiter und Kühlkörper ist hauptsächlich durch die thermische Leitfähigkeit der DCB-Keramik und des Wärmeleitmaterials zwischen Modul und Kühlkörper definiert. Um sicherzustellen, dass keine Bereiche mit schlechter thermischer Anbindung entstehen, werden die DCB-Keramiken bei Vincotech-Modulen definiert vorgebogen und erhalten eine konvexe Struktur (Bild 3).

Bild 3: Leistungsmodul mit vorgebogener DCB-Keramik. Vincotech

Beim Anschrauben des Moduls wird die DCB gleichmäßig an den Kühlkörper gepresst und die Wärmeleitpaste unter dem Modul optimal verteilt. Der Vergleich von vorgebogener DCB-Keramik mit gerader, ungebogener DCB-Keramik zeigt, dass der thermische Widerstand bei gebogener DCB-Keramik etwa 15 % geringer ist. Somit kann dem Modul bei gleichen Leistungshalbleitern eine höhere Leistung entnommen werden.

Bild 4: Thermischer Widerstand einer nicht gebogenen und einer gebogenen DCB-Keramik sowie einer gebogenen DCB-Keramik aus Phase-Change Material. Vincotech

Die Spreizung der thermischen Widerstände (in Bild 4 durch Pfeile dargestellt) bei konvexer Keramik ist geringer, was bedeutet, dass der Unterschied zwischen dem kleinsten und größten Widerstand geringer ausfällt. Letzterer bestimmt die maximal zulässige Leistung, welche durch die Halbleitertemperatur begrenzt wird. Die verwendeten Halbleiter lassen sich somit besser ausnutzen und ermöglichen eine höhere Leistungsentnahme aus dem Modul.

Siliziumnitrid senkt Modulkosten

Der thermische Widerstand hängt neben dem Wärmeleitmaterial auch maßgeblich vom verwendeten DCB-Keramikmaterial ab. Leistungsfähige Materialien wie zum Beispiel Siliziumnitrid (Si₃N₄) bieten gute Wärmeleiteigenschaften, kosten aber auch mehr. Speziell für Anwendungen, in denen Komponenten aus Siliziumkarbid (SiC) zum Einsatz kommen, lässt sich durch die Verwendung von Si₃N₄ die Anzahl der für die gleiche Ausgangsleistung benötigten Halbleiter verringern. Die Einsparung für SiC-Komponenten kompensiert die Mehrkosten für Si₃N₄ und die Modulkosten lassen sich um bis zu 10 % verringern.

Um den Montageprozess des Leistungsmoduls in der Endapplikation zu vereinfachen, besteht die Möglichkeit, anstatt Pins zur Lötverbindung auch Press-fit-Pins zu verwenden. Bei der Press-fit-Technologie wird die elektrische Verbindung zwischen Pin und Leiterplatte durch eine Kaltverschweißung hergestellt. Diese Art der Verbindung ist bereits vielfach zuverlässig in rüttel-intensiven Umgebungen im Einsatz, unter anderem in der Automobilindustrie. Eine weitere Vereinfachung des Montageprozesses wird erreicht, wenn das Modul bereits mit aufgetragenem Wärmeleitmaterial an die Montagelinie des Kunden geliefert wird. Sowohl das Auftragen des Wärmeleitmaterials in der Produktion auf den Kühlkörper als auch Lagerhaltung und Handling können somit entfallen.

Wie Vincotech die Integrationsdichte seiner Leistungsmodule durch Dickschichttechnologie erhöht, beschreibt der Beitrag auf der nächsten Seite.

Integrationsdichte durch Dickschichttechnologie

In vielen kompakten Anwendungen besteht der Bedarf nach hochintegrierten Leistungsmodulen. Diese Module enthalten neben den Leistungshalbleitern auch den notwendigen Brückentreiber, Gatewiderstände, Kondensatoren und die Highside-Versorgung durch Boot-Strap.

Bild 5: Vollintegriertes Dickschicht-Leistungsmodul Flow-IPM 1B. Vincotech

Meistens ist auch der eingangsseitige dreiphasige Brückengleichrichter im Modul enthalten. Hierfür notwendige feine Leiterbahnstruktur lassen sich jedoch mit bestehender DCB-Keramiktechnologie kommerziell nicht sinnvoll abbilden. Die Leiterbahnen werden daher mit elektrisch leitfähiger Paste auf die Keramik aufgedruckt und anschließend eingebrannt. Durch diesen Prozess sind feinere Strukturen als mit DCB-Keramiken herstellbar.

Eine kommerziell sinnvolle Grenze für diese Technologie liegt aktuell bei Stromstärken von 15 ­A. Für die Zukunft ist zu erwarten, dass diese Grenze hin zu 25 A verschoben werden kann. Hierdurch lassen sich weitere Anwendungen adressieren, die eine höhere Integrationsdichte fordern. Weiterhin können mit der Dickschichttechnologie auch Widerstände mit enger Toleranz realisiert werden, weshalb lediglich für die Kondensatoren und den Brückentreiber diskrete SMD-Bauteile notwendig sind. Um zu entscheiden welcher Integrationsgrad die geringsten Systemkosten aufweist, ist eine Analyse der gesamten Kostenstruktur der relevanten Bauteile notwendig.

Bild 6: Vergleich der Kosten zwischen Flow-IPM mit externen Bauteilen und vollintegriertem Leistungsmodul Flow-IPM für 1,5 kW. Vincotech

Bei dem dargestellten Beispiel eines 1,5-kW-Motorumrichters ist eine Variante ein voll integriertes Flow-IPM-Dickschicht-Modul (Bild 5), die andere ein Flow-IPM-DCB-Keramikmodul, welches nur die Leistungshalbleiter, aber weder Treiberschaltung noch Shunts zur Strommessung enthält. Die Kosten für die zusätzlich notwendigen SMD-Komponenten müssen zu den Modulkosten addiert werden. Zusätzlich müssen auch die Kosten für SMD-Bestückung und die hierfür notwendige Leiterplattenfläche berücksichtigt werden. Der Vergleich zeigt, dass die vollintegrierte Modullösung in diesem Beispiel einen klaren Kostenvorteil bietet (Bild 6).

(il)