Leistungselektronik IGBT-Modul, basierend auf DCB Keramik, mit Stromschienen im Kunststoffgehäuse  http://de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/838731

Leistungselektronik IGBT-Modul, basierend auf DCB Keramik, mit Stromschienen im Kunststoffgehäuse (Bild: http: //de.academic.ru/dic.nsf/dewiki/838731)

Wer über Leistungselektronik spricht, findet sich schnell in einer Diskussion über Wirkungsgrade wieder. Die Gründe hierfür liegen einerseits in den technischen Anforderungen, andererseits in betriebswirtschaftlichen Überlegungen. So muss z.B. der Wirkungsgrad bei der Anschaffung eines Solarwechselrichters genau beachtet werden, da bereits Effizienzunterschiede von wenigen Zehntel-Prozenten einen großen Unterschied für die Rendite der Gesamtanlage bedeuten können.

Außerdem ist der Wirkungsgrad für die Beherrschbarkeit von leistungselektronischen Anwendungen wichtig. Jede Einbuße beim Wirkungsgrad wird direkt in Verlustleistung und damit in Wärme umgesetzt. Je höher die Systemleistung ist, desto höher ist auch der Aufwand, um die entstehende Verlustleistung abzuführen. Mit höherer Verlustleistung steigen auch die ökonomischen Verluste, die durch einen geringen Wirkungsgrad des Gesamtsystems hervorgerufen werden.

Herausforderungen für Schaltungsträger

Schaltungsträger für leistungselektronische Anwendungen müssen die Anforderungen an einen hohen Wirkungsgrad des Gesamtsystems unterstützen. Daher sind auch auf dieser Ebene die Verluste zu minimieren. Als zweite Anforderung müssen Schaltungsträger das thermische Management der Baugruppe unterstützen, hier nehmen sie häufig sogar eine zentrale Rolle ein. Darüber hinaus wird erwartet, dass sämtliche Funktionen von Schaltungsträgern aus der klassischen Elektronik auch von den leistungselektronischen Schaltungsträgern realisiert werden.

Materialeinflüsse

Entscheidend bei der Betrachtung der Verlustleistung in Schaltungsträgern sind auch die ohmschen Verluste in den Metalllagen, meist aus Kupfer oder dessen Legierungen. Kupfer hat zwar einen sehr niedrigen intrinsischen Widerstand; bei hohen Strömen ist dieser jedoch nicht zu vernachlässigen und führt zu einer Eigenerwärmung des Leiters. Diese trägt zur Erwärmung des Gesamtsystems bei und ist daher ebenfalls zu minimieren.

Zu beachten ist auch die thermische Leitfähigkeit des Substrats: Die Stromtragfähigkeit eines Leiters wird letztlich durch das thermische Versagen des Leiters begrenzt. Je besser die Entwärmung eines Leiters erfolgt, desto höher steigt dessen Strombelastbarkeit. Daher sind auch die spezifische thermische Leitfähigkeit und die Dicke des Isolators von Bedeutung.

Erhöhung von Leiterquerschnitten

Lötstellenversagen an keramischem Chipkondensator  http://ars.els-cdn.com

Lötstellenversagen an keramischem Chipkondensator http://ars.els-cdn.com

Die Erhöhung des Leiterquerschnitts ist ein probates Mittel, um den ohmschen Widerstand zu reduzieren. Es muss jedoch berücksichtigt werden, dass die Erhöhung des Querschnitts mit einem höheren Gewicht einhergeht. Für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität ist dieser Effekt unerwünscht, denn jede Gewichtserhöhung geht zu Lasten der Reichweite von Elektrofahrzeugen.

Die Auslegung des Leiterquerschnitts wird wiederum von der zulässigen Eigenerwärmung bestimmt. Diese hängt von der thermischen Leitfähigkeit des Substrats und dessen Anbindung an eine geeignete Wärmesenke ab. Je höher die Temperaturbeständigkeit des Isolators ist, umso höher kann auch die Eigenerwärmung des Leiters bei der Auslegung des Systems gewählt werden. So zeigt sich die Ermittlung des erforderlichen Leiterquerschnitts heute als komplexe Aufgabe, bei der klassische Methoden und Regeln der Layout-Gestaltung, wie von IPC oder FED beschrieben, oftmals nicht eingesetzt werden können. Denn die klassischen Methoden berücksichtigen die neuen Anforderungen nicht.

Temperaturbeständigkeit von Substraten

Leistungshalbleiter vertragen in der Regel Junction-Temperaturen von 175 °C. Neue Halbleitertechnologien erhöhen diesen Temperaturbereich. Für die nächsten Jahre werden mögliche Temperaturen bis 200 °C oder sogar bis 225 °C prognostiziert. Für die Ausschöpfung des Temperaturbereichs sind entsprechende Substrate erforderlich. Die Erhöhung der Einsatz-/ Betriebstemperatur ist dabei auch von dem Gedanken getrieben, den Aufwand für das Kühlsystem und damit die Systemkosten der Leistungselektronik zu verringern.

Keramische Substrate, wie DCB-/DBC-Substrate, bestimmen heute weite Bereiche der Leistungselektronik, denn sie vereinen hohe elektrische Isolation mit hoher thermischer Beständigkeit. Nachteilig sind die hohen Kosten sowie Einschränkungen in Bezug auf die  Feinheit der Strukturierung und die Lagenzahl der Substrate.

Organische Leiterplattenmaterialien haben diese Einschränkungen nicht, allerdings ist die thermische Leitfähigkeit der verwendeten Epoxidharze signifikant geringer als die der keramischen Werkstoffe. Vorteil ist, dass sie kostengünstiger sind. Deshalb setzt man keramische Schaltungsträger nur dort ein, wo ihre Eigenschaften zwingend erforderlich sind.

Aufbau- und Verbindungstechnologie von leistungselektronischen Systemen

Risse in Dickdrahtbond auf IGBT- (Silizium-) Oberfläche  www.powerguru.org

Risse in Dickdrahtbond auf IGBT- (Silizium-) Oberfläche www.powerguru.org

Als klassische Verarbeitungstechnologie von Leiterplatten gilt die vollautomatische Bestückung von SMD-Komponenten. Die Durchsteckmontage beschränkt sich im Wesentlichen auf die Zwischenkreiskondensatoren, sofern diese nicht ebenfalls schon von SMD-Bauteilen abgelöst wurden.

Bei keramischen Schaltungsträgern werden ungehäuste Halbleiter an ihrer Unterseite mit dem Substrat über Leitkleben, Löten, Silber-Sintern oder Diffusionslöten elektrisch und thermisch angebunden. Die Verbindung der Oberseite geschieht klassisch über Al-Dickdrahtbonden, teilweise bereits abgelöst durch Cu-Drahtbonden. Zur Stabilisierung der Bondverbindungen erfolgt nach der Bestückung häufig ein Verguss mit hochviskosem Silikongel.

Die erforderliche Logikansteuerung und die Treiberelektronik werden über einen separaten Schaltungsträger – in der Regel eine Leiterplatte – realisiert und häufig über Einpresskontakte mit der Leistungselektronik verbunden. Betrachtet man das Gesamtsystem einer leistungselektronischen Applikation findet man meist eine große Anzahl verschiedener Aufbau- und Verbindungstechnologien, die sowohl einzeln als auch im Verbund die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Kostenziele erfüllen müssen.

Zuverlässigkeitsaspekte von Baugruppen

Anpassung des Ausdehnungskoeffizienten: Organische Leiterplatten sind aufgrund ihres Ausdehnungskoeffizienten (CTE) gut an gehäuste Komponenten, wie QFP oder DIP, angepasst. Die Bestückung von ungehäusten Halbleiterkomponenten wie Flip Chips ist dagegen kritisch zu bewerten. Auch keramische Chip-Kondensatoren sind – je nach Bauform – kritisch, da diese deutlich geringere Ausdehnungskoeffizienten haben.

DCB-/DBC-Keramiken werden dagegen mit ungehäusten Leistungshalbleitern bestückt, wobei der geringere Ausdehnungskoeffizient des keramischen Grundmaterials zu einer besseren Anpassung der CTE zwischen Substrat und Bauelement führt. Die ungehäusten Leistungshalbleiter werden dann über Drahtbonden mit dem Substrat und den Anschlüssen verbunden. Aufgrund der Stromtragfähigkeit verwendet man dazu Al-Dickdrähte mit 500 – 600 µm Durchmesser.

Versagenmechanismus von Baugruppen: Der klassische Versagensfall bei bestückten Leiterplatten ist das Lötstellenversagen von fehlangepassten Bauelementen bei Beanspruchung durch Temperaturwechsel. An der Leiterplatte selbst tritt das Versagen von Durchkontaktierungen auf, das durch die Anisotropie des CTE in x/y-Richtung im Vergleich zur z-Richtung hervorgerufen wird.

Bei keramischen Baugruppen ist der klassische Versagensfall der Bondabheber vom Leistungshalbleiter, hervorgerufen durch die großen Unterschiede der CTE zwischen Si (2,7 ppm/K) und Al-Bonddraht (24 ppm/K). Weiterhin treten Muschelbrüche der Keramik auf, induziert durch die CTE-Unterschiede von Keramik (ca. 7 ppm/K) und Kupfer-Metallisierung (17 ppm/K).

Aus den beschriebenen Gründen bestehen die meisten leistungselektronischen Systeme aus einer Mischung von keramischen Substraten und Leiterplatten. Sie sind über teilweise sehr anspruchsvolle und komplexe Aufbau- und Verbindungstechnologien miteinander verbunden, wie Drahtbonden, Steckverbinder, Löt- oder Schweißtechniken. So genügt häufig ein leistungselektronisches System, um einen Überblick über die komplette Welt der Aufbau- und Verbindungstechnologie zu erhalten.

Optimierung leistungselektronischer Systeme

Die zentralen Anforderungen, die an optimierte Substrate für leistungselektronische Systeme gestellt werden, sind daher:

  • Erhöhung der Stromtragfähigkeit
  • Optimierung der thermischen Leitfähigkeit
  • Erhöhung der Temperaturbeständigkeit
  • Verringerung der Systemkomplexität
  • Erhöhung der Systemzuverlässigkeit
  • Minimierung der Kosten

Lesen Sie im nächsten Teil, welche Technologien und Lösungen der Lösungsbaukasten des Unternehmens für unterschiedliche Applikationen enthält.

electronica 2016: Halle B4, Stand 341

Christian Rössle

Rössle
(Bild: Schweizer)
Vice President Sales & Marketing bei Schweizer Electronic

Thomas Gottwald

Gottwald
(Bild: Schweizer)
Director Next Generation Products bei Schweizer Electronic

(cm)

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