So verbessert Silbersintern die Wärmeleitfähigkeit in Leistungshalbleitern

Ganz allgemein bezieht sich das Wärmemanagement in einem elektronischen System auf die Wärme, die von den Halbleiterübergängen (Junctions) der Dioden und Transistoren erzeugt wird. Für die Hersteller von Leistungsbauelementen ist dabei die Anzahl der Gates/Transistoren in einem Bauelement weniger relevant. Vielmehr stellt sich die Frage, welche Leistungsmenge bei gegebener Chipgröße möglich ist.

Auch wenn die gängige Meinung „Kleiner ist besser“ lautet, ist die Größe des Dies bei Geräten mit integrierter Stromversorgung effektiv durch die Nennleistung vorgegeben. Der Reduzierung der Die-Größe ist hier also eine Grenze gesetzt. Eine Überschreitung dieser Grenze kann zu einer geringeren Zuverlässigkeit führen, die durch die nachteiligen Auswirkungen bei der Wechselbelastung eines Bauteils zur Leistungsumschaltung verursacht wird. Das Herzstück im wahrsten Sinne des Wortes ist die Temperatur der Halbleiter-Sperrschicht.

Wärmewiderstand auf Chipebene

Bild 1: Festkörpermodell eines SMD-Bauteils; 3D-Modell mit den grundlegenden Gehäusekomponenten, die auf ein isoliertes Metallsubstrat gelötet sind (links) und thermisches Modell in Ansys, das den Wärmefluss vom Halbleiterchip zur äußeren Umgebung zeigt (rechts). UnitedSiC

Um die maximale Leistung aus einem Leistungsbaustein herauszuholen ist sicherzustellen, dass er innerhalb seines sicheren Betriebsbereichs bleibt. Die wichtigste Voraussetzung dafür ist, die Sperrschichttemperatur unter 175 °C zu halten. Dazu ist es wichtig zu verstehen, welchen Weg die im Betrieb erzeugte Wärme nimmt, wenn sie von der Sperrschicht abfließt (Bild 1).

Bei der Berechnung des Gesamtwärmewiderstands dieses Weges müssen die einzelnen Wärmewiderstände jedes Materials Berücksichtigung finden. Im Allgemeinen entwickeln IDMs ihre Systeme so, dass sie einen vorhersagbaren, reproduzierbaren Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Gehäuse R_θJC aufweisen. Normalerweise umfasst diese Zahl den Wärmewiderstand des Halbleitersubstrats, des Materials, mit dem der Chip am Gehäuse befestigt ist, und des Materials, das das Gehäuse bildet.

Bei Leistungsbausteinen, die auf einem Siliziumsubstrat basieren, wird der Die typischerweise an das Gehäuse gelötet, während die Grundplatte des Gehäuses meistens aus Kupfer besteht, woraus sich der Wert für R_θJC ergibt.

Die Größe des Die hat einen direkten Einfluss sowohl auf die von der Sperrschicht erzeugte Wärmemenge als auch auf die Geschwindigkeit, mit der sie die Sperrschicht verlassen muss. In diesem Sinne gilt dann „groß ist gut“. Ein größerer Die bietet eine größere Oberfläche, über die die Wärme abfließen kann, wenn sie die Sperrschicht verlässt. Aber auch in der Leistungselektronik verlangen Ingenieure nach kleineren Dies, da dies eine höhere Leistung bei geringeren Kosten bedeutet.

Was ist Silbersintern?

Nach der Sperrschicht und dem Die ist die nächste thermische Barriere, auf die die Wärme trifft, die Verbindung zwischen Die und Gehäuse. Der Industriestandard ist hier die Verwendung von Lot an der Kontaktstelle. In der Mehrzahl der Fälle ist Lötzinn eine gute Wahl. Er ist einfach zu verarbeiten, relativ günstig und relativ zuverlässig. Die Wärmeleitfähigkeit dieser Verbindung muss das Volumen des Materials berücksichtigen, nicht nur seine Dicke; verschiedene Materialien haben unterschiedliche Dicken. Dies bestimmt die Wärmeleitfähigkeit der Verbindung, da sich die Wärme in alle Richtungen ausbreitet, jedoch mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten, je nach dem Widerstand, auf den sie trifft.

Eine Alternative zur Verwendung einer bleihaltigen Legierung und dem Löten der Verbindung ist die Verwendung einer sinterfähigen Paste. Diese Materialien haben in der Regel eine viel höhere Wärmeleitfähigkeit und lassen sich oft in dünneren Schichten auftragen.  Silber ist hierfür ein gutes Beispiel. Gesinterte Schichten erreichen eine Wärmeleitfähigkeit von etwa 1,4 bis 2 W/cm/°C. Die0s ist günstiger als bei bleihaltigem Lot, das eine Wärmeleitfähigkeit von nur 0,25 W/cm/°C aufweist.

Warum Hersteller sich für Silbersintern entscheiden

Bild 3: Thermisches Modell von 7L D2PAK, das die verschiedenen Temperaturgradienten vom Chip zum Gehäuse zeigt; (oben) bei Verwendung von Pb95,5Ag2,5Sn2,0 Lot Die Attach (unten) bei Verwendung von 140W/m.K Ag Sinter Die Attach. Hierbei erreicht die Option (unten) eine Reduzierung des Wärmewiderstands um 28 Prozent. UnitedSiC

Bei Leistungsbauelementen muss mehr Wert auf das Wärmeverhalten der Verbindung zwischen Die und Rahmen gelegt werden, sowie auf die Fähigkeit, hohe Temperaturen ohne Nachteile zu bewältigen. Das Ersetzen des Lots durch gesintertes Silber verbessert den R_θJC und verbessert dank seines höheren Schmelzpunkts auch den thermischen Spielraum des Gesamtdesigns (Bild 3).

Das Einplanen eines höheren thermischen Spielraums für Leistungshalbleiter wird normalerweise von Ingenieuren nicht in Betracht gezogen, vor allem, weil sie bis vor kurzem nicht die Möglichkeit hatten, ein Bauelement auf Basis von gesintertem Silber zu entwickeln. Doch inzwischen sind diese Bausteine auf dem Markt. Nun können Ingenieure das Wärmemanagement mit fundierteren Entscheidungen angehen.

Der Trend zu kleinerer Die-Fläche bringt Vorteile in Bezug auf Leistung und Kosten, aber Nachteile in Bezug auf die Wärmeabfuhr mit sich. Die Wahl von Systemen, die Siliziumkarbid (SiC) als Halbleitersubstrat verwenden, bedeutet, dass die Vorteile immer noch vorhanden, jedoch die Nachteile weniger ausgeprägt sind. Dies ist einer der Hauptgründe, warum die Halbleiterindustrie und alle von ihr unterstützten vertikalen Märkte so sehr an SiC-basierten Leistungshalbleitern interessiert sind.

Die Kombination aus einem SiC-Substrat – das sowohl kleiner als auch dünner als ein Siliziumsubstrat ist – zusammen mit der Verwendung von gesintertem Silber als Verbindung zum Rahmen, ergibt einen R_θJC -Wert, der mit anderen Leistungshalbleitern vergleichbar ist, aber die Vorteile von SiC aufweist. Zu diesen Vorteilen gehören höhere Schaltgeschwindigkeiten und ein höherer Wirkungsgrad, was zu einer größeren Wärmedichte und zu kleineren Endprodukten führt.

Nicht jeder muss gesintertes Silber verwenden

Mit solch klaren Vorteilen wäre zu erwarten, dass alle Hersteller gesintertes Silber verwenden. Das ist aber nicht der Fall, zumindest nicht derzeit. Der Grund dafür liegt vor allem darin, dass siliziumbasierte Leistungsbauelemente wie IGBTs zwangsläufig eine große Die-Fläche haben und daher auch eine recht gute Wärmeleitfähigkeit zwischen dem Die und dem Lead-Frame aufweisen. Die Verwendung von gesintertem Silber würde hier weniger Vorteile bringen. Tatsächlich ist der Wärmewiderstand zwischen Gehäuse und Umgebung, R_θJA, der größtenteils von der Leiterplatte und dem Systemdesign diktiert wird und daher nicht vom IDM beeinflusst werden kann, normalerweise viel bedeutender als der Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht und dem Gehäuse, R_θJC. Das gilt für alle Halbleiter, nicht nur für Leistungselektronik.

Im Falle eines Leistungshalbleiters mit einer vergleichsweise kleinen Die-Fläche, was bei einem SiC-Bauelement die Regel ist, diktiert die kleinere Die-Größe im Endeffekt die Verwendung von gesintertem Silber anstelle eines bleihaltigen Lots. Die höhere Wärmeleitfähigkeit von gesintertem Silber stellt sicher, dass der Baustein immer noch innerhalb des sicheren Betriebsbereichs arbeiten kann und die Sperrschichttemperatur unter dem Betriebsmaximum bleibt, obwohl der Wärmepfad vom Die viel kleiner ist.

Warum gesintertem Silber den Vorzug geben?

Bild 4: Thermisches Modell des 7L D2PAK-Leistungsbauelements, 3D-Modell (links) , das das auf ein IMS gelötete und dann auf einen speziellen Kühlkörper montierte Gehäuse zeigt thermische Simulation, die die niedrigere Sperrschichttemperatur (Tj) zeigt, die mit einer effizienteren Kühllösung erreicht werden kann (rechts). UnitedSiC

In den meisten Fällen ist es unwahrscheinlich, dass die Hersteller von Leistungshalbleitern auf Siliziumbasis von der Verwendung von Lot auf gesintertes Silber umsteigen werden. Während die Vorteile, die es für SiC-Bauelemente bietet, vor allem in der höheren Leistung und der geringeren Die-Größe liegen, hat es auch allgemein erhebliche technische Vorteile. Systemingenieure können diese Vorteile auf folgende Weise nutzen:

Erstens eröffnet die Verwendung einer Verbindung mit einem höheren Schmelzpunkt einen größeren thermischen Spielraum in einem Design. Wenn sich die Sperrschicht erwärmt und der Wärmepfad in einem auf Silizium/Lot basierenden Gerät zu einer größeren Einschränkung wird, besteht die Möglichkeit, dass sich die Temperatur des Lots seinem Schmelzpunkt nähert. Dies würde nicht zu einem plötzlichen Ausfall führen. Jedoch degradieren wiederholte Lastwechsel die Verbindung, d. h. ihre Belastung würde schließlich zu einer Schwachstelle führen.

Und noch positiver gesprochen kann die Verwendung von gesintertem Silber tatsächlich ein Mittel für größere Systemgewinne sein. Wie oben erwähnt, ist der Wärmewiderstand zwischen der Sperrschicht und der Umgebung, R_θJA, typischerweise die dominierende Größe bei der Berechnung des Wärmewiderstands insgesamt. Die fortschreitende Entwicklung anspruchsvollerer und effizienterer Kühllösungen, wie z. B. die Flüssigkeitskühlung in Hochleistungsanwendungen, verlagert den Fokus jedoch wieder auf den R_θJC (Bild 4).

Diese Hochleistungs-Wärmemanagementsysteme sind teuer, aber in manchen Anwendungen notwendig. Die Kosten und die Komplexität dieser Systeme finden eventuell gar keine Beachtung, wenn die Leistungshalbleiter tatsächlich zum begrenzenden Faktor werden. Dieser Fall tritt ein, wenn die Wärme auf Systemebene effizienter behandelt wird. Leistungsschaltkomponenten, die hier einen niedrigen Sperrschicht-Wärmewiderstand aufweisen, können daher diese Hochleistungsanwendungen besser unterstützen.

(na)