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(Bild: Rogers PES)

Moderne Baugruppen sind sichtbar kompakter als frühere Lösungen, die Leistungsdichte hat parallel dazu stark zugenommen. Ein Trend, der sich fortsetzen wird: Der rasante Fortschritt in Bereichen wie Elektromobilität, Smart-Grid und alternative Energien treibt die Elektrifizierung unserer Umwelt auf breiter Front voran. Mit diesen Entwicklungen wächst die Nachfrage nach innovativer Leistungselektronik. Ein hoher Wirkungsgrad der Systeme ist daher wichtiger als je zuvor. Denn jede noch so kleine Verringerung des Wirkungsgrads treibt die Verlustleistung in die Höhe. Und das bedeutet: Bauteile und Schaltungen erhitzen sich stärker.

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Leiterplatten für Leistungselektronik-Applikationen müssen eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen, weshalb die – je nach Anforderung – auf Aluminiumoxid, Siliziumnitrid oder Aluminiumnitrid basierenden keramischen Curamik-Substrate sich hierfür sehr gut eignen. Rogers PES

Höhere Temperaturen im Betrieb verkürzen einerseits die Lebensdauer von Komponenten. Andererseits verstärken sie auch thermische Spannungen im Leiterplattenmaterial. Dies erhöht die Gefahr für Materialversagen und für das Brechen von Lötverbindungen. Hinzu kommt, dass mit zunehmender Miniaturisierung, Leistungsdichte und Systemleistung der Aufwand steigt, die Wärme abzuführen. Keine Frage: Beim Entwickeln zuverlässiger Hochleistungsbaugruppen muss bereits die Basis stimmen.

Substrate für Leistungsmodule

Ein essenzieller Baustein moderner Leistungselektronik-Applikationen ist daher der Schaltungsträger – ein Sandwich aus Trägersubstrat, Verbinder und Leiterschichten. Er ist in der Regel als gedruckte Schaltung ausgeführt und muss unter anderem zwei wichtige Bedingungen erfüllen. Erstens: Geringe elektrische Verluste in den stromführenden Lagen sicherstellen, damit das Gesamtsystem einen hohen Wirkungsgrad erreichen kann. Zweitens: Wärme effizient ableiten. Tatsächlich spielen Leiterplatten beim thermischen Management von Leistungselektronik-Baugruppen häufig eine zentrale Rolle. Quasi nebenbei müssen die Platinen auch noch alle Funktionen erfüllen, die man von herkömmlichen Schaltungsträgern in der Elektronik erwartet. Dazu zählt eine Fertigung mit bewährten und etablierten Produktionsverfahren. Diese hohen Anforderungen sind nur mit eigens dafür ausgelegten Materialien zu erfüllen.

Kupfer und Kupferlegierungen haben sich als Material für die stromführenden Schichten auf Leiterplatten bewährt. Sie verfügen über einen sehr niedrigen elektrischen Widerstand. Bei den hohen Strömen in Leistungselektronikschaltungen darf allerdings selbst dieser nicht zu sehr vernachlässigt werden. Denn die ohmschen Verluste führen zu einer Eigenerwärmung der Leiterbahnen und tragen zur Erhitzung der gesamten Baugruppe bei. Hinzu kommt die Wärmeentwicklung der aktiven Komponenten: Moderne Leistungshalbleiter wie IGBT-Module erreichen an ihren Kontaktstellen Temperaturen von 175 °C. In einigen Jahren sollen bis zu 225 °C möglich sein, ohne dass das Bauteil Schaden nimmt. Solch breite Betriebstemperaturbereiche lassen sich nur ausnutzen, wenn die Grundlage stimmt.

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Ein essenzieller Baustein moderner Leistungselektronik-Applikationen ist der Schaltungsträger – ein Sandwich aus Trägersubstrat, Verbinder und Leiterschichten. Für die Leistungselektronik müssen sie jedoch eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Rogers PES

Material und Verarbeitung entscheidend für Leistungselektronik

Daher kommt dem Substrat, also dem Basismaterial eines Schaltungsträgers, eine entscheidende Rolle zu. Es muss eine hohe thermische Leitfähigkeit aufweisen. Nur dann kann es die Wärme effizient und schnell von den Leiterschichten abführen. Je besser dies gelingt, desto mehr Strom kann eine Leiterbahn führen – eine wichtige Voraussetzung für das Design kompakter Baugruppen.

Materialien auf Basis von Epoxydharzen, die zum Beispiel für Platinen in der Digitaltechnik eingesetzt werden, sind für Applikationen in der Leistungselektronik ungeeignet. Stattdessen kommen keramische Substrate zum Einsatz, etwa die Curamik-Lösungen von Rogers Power Electronics Solutions (PES). Dieses Trägermaterial besitzt einen niedrigen dielektrischen Verlustfaktor – ein wichtiges Maß für Isolierstoffe. Der Faktor beschreibt, wie viel Energie sie im elektromagnetischen Wechselfeld absorbieren und in Wärme umsetzen. Hier gilt: Je niedriger, desto weniger erwärmt sich das Material. Dies vereinfacht das thermische Management von Baugruppen.

Technische Keramiksubstrate eignen sich für ein breites Spektrum an Leistungsapplikationen, die hohe Spannungen und Ströme verarbeiten, zum Beispiel in Stromversorgungsnetzen, in der Energiewirtschaft oder in der Industrie. Vier verschiedene, keramikbasierte Substrate sind bei Rogers als Basismaterial erhältlich. Mit ihren individuellen Stärken sind sie auf die Anforderungen spezifischer Applikationen zugeschnitten. Die Materialien sind mit dicker Kupferbeschichtung für den Einsatz in Hochleistungsschaltungen erhältlich. Abhängig vom Substrat erfolgt die Verbindung vom Kupfer zum Substrat direkt (Direct-Copper-Bonded, DCB) oder mittels Lötung (Active Metal Brazing, AMB). Beim DCB-Prozess wird reines Kupfer bei hoher Temperatur auf das Substrat aufgebracht und verbunden. Beim AMB-Verfahren wird das Kupfer hingegen bei hoher Temperatur mit dem keramischen Trägermaterial hartverlötet.

Das auf Aluminiumoxid (Al2O3) basierende keramische Substrat „Curamik Power“ eignet sich gut für kosteneffiziente Leistungselektronik-Schaltungen. Seine thermische Leitfähigkeit beträgt 24 W/m-K bei 20 °C. Für Schaltungen mit etwas höherem Leistungsbedarf und längerer Lebensdauer ist „Curamik Power Plus“ gedacht: Mithilfe einer Zirkonium-Dioxid-Dotierung (ZrO2) des Al2O3-Substrats erreicht Rogers eine thermische Leitfähigkeit von 26 W/m-K. Zudem ist dieses Material sehr widerstandsfähig.

Ein deutlicher Sprung bei der Standfestigkeit und bei den thermischen Eigenschaften lässt sich mit Siliziumnitrid (Si3N4) erreichen. Dieses Material ist die Basis für „Curamik Performance“, es erreicht 90 W/m-K. Für extrem kompakte Schaltungen mit besonders hoher Leistungsdichte wurde das „Curamik Thermal“ entwickelt. Dieses auf Aluminiumnitrid (AlN) basierende technische Keramikmaterial leitet Wärme mit 170 W/m-K. Damit ist es für Applikationen besonders geeignet, bei denen große Wärmemengen sicher abtransportiert werden müssen.

 

Auf der nächsten Seite lesen Sie mehr über die Temperaturbeständigkeit von Substraten.

Temperaturbeständigkeit von Substraten

Häufige Temperaturwechsel stressen nicht nur uns Menschen, sondern auch elektronische Baugruppen. Besonders die Verbindungsstellen zwischen unterschiedlichen Materialien sind hohen Belastungen ausgesetzt. Daher sind eine hohe mechanische Stabilität und ein angepasster Wärmeausdehnungskoeffizient des Substrats wichtig für die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik. Im Vergleich mit organischen Leiterplatten verfügt keramisches Grundmaterial über einen geringeren Ausdehnungskoeffizienten. Dieser passt besser zu nicht gehäusten Leistungshalbleitern. Bauelemente und Substrat dehnen sich im Betrieb gleichmäßig aus, sodass die Kontaktstellen weniger durch mechanische Spannungen belastet werden.

Angesichts hoher Stromstärken bei Leistungsanwendungen kommt der Güte der Kontaktierung eine besondere Bedeutung zu. Für das Bonden und Löten von dicken Anschlussdrähten – typischerweise Al-Dickdrähte mit einem Durchmesser von etwa 300 µm – reicht die übliche Oberflächenrauheit der Anschluss-Pads mit einer Tiefe von rund 16 µm. Dünnere Drähte erfordern jedoch glattere Flächen. Mithilfe chemischer und/oder mechanischer Bearbeitungsverfahren reduziert Rogers PES die Rauheit auf weniger als 6 µm. Diese Oberflächenbehandlung ist Teil der Advantage-Prozesssammlung. Mit diesen Optionen lässt sich die Performance von Baugruppen verbessern und ihre Verarbeitung vereinfachen. Zu diesem Leistungspaket zählen auch eine spezielle Materialbehandlung zum Erzielen besonders guter Isolationswerte und extrem genau per Laser gebohrte Löcher.

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Moderne technische Keramiksubstrate vereinen geringe elektrische Verluste mit besonderen thermischen Eigenschaften, die sie für ein breites Spektrum an elektronischen Leistungsanwendungen geeignet macht. Rogers PES

Ein weiteres Beispiel: Beim Fertigen elektronischer Baugruppen kommt es immer wieder zu unerwünschten Lötbrücken. Dieser Lotüberschuss kann die Funktion einschränken sowie die Leistungsfähigkeit und Haltbarkeit des Endprodukts drastisch reduzieren. Zudem erhöhen sie den Ausschuss und damit die Fertigungskosten. Eine präzise positionierte, temperaturbeständige Lötstoppbeschichtung kann dies verhindern. Sie sorgt dafür, dass Lot nur an vorgesehenen Stellen haftet.

Als Alternative zum Löten bietet sich im Leistungsbereich das Silber-Sintern an. Mithilfe dieses Verfahrens lassen sich beispielsweise ungehäuste Halbleiter direkt mit dem keramischen Schaltungsträger verbinden. Im Vergleich mit dem Lötprozess entfällt beim Silber-Sintern die flüssige Aggregatphase des Verbindungsmaterials. Stattdessen verdickt sich die aufgetragene Silberpaste unter Hitzeeinwirkung im Ofen, und die enthaltenen Silberpartikel verbinden sich dauerhaft. Die Beschichtung ist typischerweise etwa 50 bis 100 µm dünn. Da Silber erst bei 961 °C schmilzt und eine erstklassige Temperaturleitfähigkeit von 240 W/m-K hat, ist es sehr gut für hochwertige Verbindungen in Leistungsschaltungen geeignet. Über die Größe der Silberpartikel in der Paste lässt sich der thermische Widerstand genau auf die Applikation abstimmen. Kleinere Partikel sorgen für einen besseren Wärmetransport. Gleichzeitig lassen sich damit auch sehr feine Strukturen auf der Leiterplatte per Silber-Sintern bestücken.

Technische Keramiksubstrate

Moderne technische Keramiksubstrate vereinen geringe elektrische Verluste mit besonderen thermischen Eigenschaften, die sie für ein breites Spektrum an elektronischen Leistungsanwendungen prädestiniert. Sie spielen ihre Stärken besonders dann aus, wenn bei hoher Leistungsdichte ein sicheres thermisches Management und damit eine hohe Zuverlässigkeit gefragt sind. Mittels spezieller Oberflächenbearbeitungen und -beschichtungen wie Curamik-Advantage von Rogers PES lassen sich die Fertigung der Hightech-Schaltungsträger vereinfachen und ihre Performance verbessern.

Productronica 2017: Halle B3, Stand 401

Manfred Götz

Rogers-Manfred Götz
Product Marketing Manager von Rogers

(mrc)

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