Bild 1: In den neuen Transfer-Mold-Power-Module hat Mitsubishi Electric grundlegende Änderungen vorgenommen: Am Gehäuse, dem Bonding und der Isolation.

Bild 1: In den neuen Transfer-Mold-Power-Module hat Mitsubishi Electric grundlegende Änderungen vorgenommen: Am Gehäuse, dem Bonding und der Isolation.Mitsubishi

Bei ihren Transfer-Mold-Power-Modulen (T-PM, Bild 1) setzt Mitsubishi Electric drei Technologien ein, die sich von konventionellen Leistungshalbleitermodulen mit Weichverguss unterscheiden: a) das Transfer-Mold-Gehäuse; b) die Chips sind direkt mittels bleifreiem Lot auf einen Kupfer-Wärmespreizer aufgelötet und c) die Isolation erfolgt mittels einer dem Wärmespreizer nachgeordneten TCIL-Schicht. Diese Konstruktion erreicht bereits eine hohe Zuverlässigkeit und sehr gute Wärmeableitung (Bild 2). Zudem lassen sich mehrere, komplett getestete T-PMs zu größeren Funktionseinheiten in einem gemeinsamen Modulgehäuse zusammenfassen.

Eine neue Generation der T-PM soll den Applikations-Anforderungen nach hoher Leistung und hoher Zuverlässigkeit noch besser gerecht werden. Die wesentlichen Verbesserungen gegenüber dem Vorläufer-T-PM sind

Bild 2: Im ursprünglichen T-PM-Aufbau kommen Bond-Drähte zum Einsatz.

Bild 2: Im ursprünglichen T-PM-Aufbau kommen Bond-Drähte zum Einsatz.Mitsubishi

  • Direct-Lead-Bonding (DLB) für die innere Kontaktierung und
  • eine neue TCIL-Schicht mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit (zu sehen in Bild 3).

Dieser Beitrag erläutert die T-PM-Eigenschaften der ersten Generationen und beschreibt die Neuerungen der zweiten Generation im Detail.

Hochzuverlässige Verbindungstechnik

Das T-PM besitzt zwei innere Verbindungen: die elektrische Verbindung zwischen Chip-Oberseite und den Hauptterminals sowie die Verbindung zwischen Chip-Unterseite und dem elektrisch leitfähigen Wärmespreizer. Aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der an diesen Übergängen beteiligten Materialien unterliegen diese Kontaktstellen Alterungsprozessen bei zyklischer Temperaturbelastung, die letztlich zum Ausfall führen können. Das für T-PM typische Hartvergussgehäuse sorgt dafür, dass beide inneren Verbindungen deutlich zuverlässiger gegenüber thermischen Zyklen sind, als dies bei herkömmlichen IGBT-Modulen mit Silikon-Weichverguss möglich ist.

Bild 3: Der weiterentwickelte T-PM-Aufbau setzt auf Direct-Lead-Bonds.

Bild 3: Der weiterentwickelte T-PM-Aufbau setzt auf Direct-Lead-Bonds.Mitsubishi

Die erste T-PM-Generation nutzte Bond-Drähte (Wire Bonds, W/B) zur Kontaktierung der Chip-Oberseite, ganz wie bei konventionellen Leistungshalbleitermodulen mit Plastikgehäuse und Weichverguss. Diese Bondverbindung wurde bereits für konventionelle Leistungshalbleitermodule stetig verbessert, um die Lastwechselfestigkeit der Bondverbindung zwischen Aluminium-Bonddraht und der Chip-Metallisierung zu erhöhen. Durch den T-PM-Hartverguss sinken die auf die Bondstellen wirkenden Kräfte bei Temperaturwechsel weiter. Dies verbesserte die Lastwechselfestigkeit der ersten T-PM-Generation gegenüber konventionellen Leistungshalbleitermodulen um den Faktor 3.

Um noch mehr zu erreichen, entwickelte Mitsubishi nun die Direct-Lead-Bonding-Technik (DLB). Diese erhöht die Kontaktierungsfläche auf der Chip-Oberseite und erreicht damit eine gleichmäßigere Temperatur- und Stromverteilung auf der Chip-Oberfläche. Für die beiden Testbedingungen ΔTj = 80 °C und ΔTj = 100 °C konnte der Hersteller nachweisen, dass DLB die Lastwechselfestigkeit verzehnfacht im Vergleich zu herkömmlichen IGBT-Modulen mit W/B-Kontaktierung. Das neue T-PM besitzt eine Lastwechselfestigkeit von mehr als 1.000.000 Zyklen bei ΔTj = 80 K und 300.000 Zyklen bei Δtj = 100 K. Danach verfügt es noch über 50 % der anfänglichen Lotfläche zwischen Chip und Kupfer.

Nach diesen Tests wiesen die T-PM-Prüflinge keinerlei Beeinträchtigung der elektrischen Parameter auf: sie waren noch voll funktionstüchtig. Eine mehr als zehnfach längere Lebensdauer für Leistungshalbleitermodule reicht für heutige reale Applikationen völlig aus und lässt viel Potenzial für einen zukünftigen Einsatz bei erhöhten Chip-Temperaturen.

Scherkräfte an der Chip-Unterseite

Das Lot zwischen Chip-Unterseite und dem Kupfer-Wärmespreizer muss die Scherkräfte aufnehmen, die sich bei Temperaturwechsel aufgrund der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der beteiligten Materialien ergeben. Die Beanspruchung durch wiederholte thermische Wechsellast kann zu Rissen und Brüchen in dieser Lotschicht führen.

Der beim T-PM verwendete Hartverguss senkt die thermische Beanspruchung dieses Kontakt-Lots, wodurch die mechanische Spannung im Bereich der Chip-Ecken auf etwa 25 % sinkt und die Temperaturwechselfestigkeit steigt. Daher wurden beim Temperaturwechseltest (-40 bis +125 °C) nach 2000 Zyklen keine Risse im Lot festgestellt. Auch nach 7000 Zyklen zwischen -40 und +150 °C war keine Degradation elektrischer T-PM-Parameter festzustellen.

Geringer Wärmewiderstand

Das T-PM hat unterhalb der Leistungschips einen Kupfer-Wärmespreizer, welcher die Wärmeübertragungsfläche an die nachfolgende TCIL-Schicht deutlich erhöht. Obwohl die spezifische Wärmeleitfähigkeit des eigentlichen TCIL-Materials nur 5 % von Aluminiumnitrid (AlN) beträgt, war aufgrund dieses Aufbaus der Gesamt-Wärmewiderstand im T-PM der ersten Generation nur 25 % höher als bei IGBT-Modulen des herkömmlichen Gehäusetyps. Um die Wärmeleistung des T-PM weiter zu optimieren, wurde ein verbessertes hochwärmeleitfähiges TCIL-Material entwickelt und in den T-PM der neuesten Generation verwendet.

Die große Wärmekapazität des im T-PM integrierten Kupfer-Wärmespreizers führt zu einem niedrigeren transienten thermischen Widerstand. Zum Beispiel beträgt der transiente thermische Widerstand des T-PM nach T = 0,1 s nur 65 % eines herkömmlichen Leistungshalbleitermoduls. Dies ist insbesondere für die sichere Beherrschung kurzzeitiger Laststöße von Bedeutung.

Reduzierter Wärmewiderstand dank besserer TCIL

Bild 4: Der Wärmewiderstand des Montageaufbaus mit T-PM setzt sich aus mehreren Teilwiderständen zusammen, die sich je nach Material unterscheiden.

Bild 4: Der Wärmewiderstand des Montageaufbaus mit T-PM setzt sich aus mehreren Teilwiderständen zusammen, die sich je nach Material unterscheiden.Mitsubishi

Mitsubishi Electric analysierte, wie sich der relative thermische Widerstandes auf die am Wärmetransport beteiligten Schichten aufteilt (siehe Bild 4). Dabei zeigte sich, dass die TCIL-Schicht (Thermally Conductive Insulation Layer) das größte Potenzial zur Reduzierung des Gesamt-Wärmewiderstandes bietet. Die TCIL ist in der Lage, den Wärmewiderstand zwischen Chip und der Modul-Unterseite beträchtlich zu senken (θj-c, Bild 5).

Um denselben Wärmewiderstandswert θj-c wie im Modul des herkömmlichen Gehäusetyps zu erreichen, muss die Wärmeleitfähigkeit der TCIL das 1,5-fache des T-PM-Vorläufertyps betragen. Für das weiterentwickelte T-PM verdoppelte Mitsubishi die TCIL-Wärmeleitfähigkeit und reduzierte damit den Wärmewiderstand θj-c um 10 % gegenüber herkömmlichen Modulen. Das weiterentwickelte T-PM mit verbesserter TCIL kann den Wärmewiderstand zwischen Chip und Kühlwasser (θj-w) ebenfalls reduzieren.

Bild 5: Relative Wärmeleitfähigkeit der TCIL-Isolation und Wärmewiderstände (θj-c).

Bild 5: Relative Wärmeleitfähigkeit der TCIL-Isolation und Wärmewiderstände (θj-c).Mitsubishi

Der Anteil des modulinternen Wärmewiderstands θj-c beträgt weniger als die Hälfte des Gesamtwärmewiderstands θj-w; daher nimmt die Wirksamkeit der neuen TCIL auf θj-w im gleichen Verhältnis ab. Das T-PM erlaubt jedoch ebenfalls den Wärmewiderstand der Wärmeleitpastenschicht (θc-f) auf etwa zwei Drittel, verglichen mit konventionellen Leistungshalbleitermodulen zu senken, weil die T-PM-Kontaktfläche deutlich ebener ist und deshalb eine dünnere Schicht Wärmeleitpaste ausreicht.

Insgesamt kann der Wärmewiderstand zwischen Chip und Kühlwasser (θj-w) beim neuen T-PM um 6 % gegenüber herkömmlichen Modulen gesenkt werden, wie Simulations- und praktische Testergebnisse belegen. Mitsubishi arbeitet an einer weiteren Erhöhung der thermischen TCIL-Leitfähigkeit, insbesondere um den neuen Anforderungen nach höheren Betriebstemperaturen entsprechen zu können.

DLB senkt die maximale Chip-Temperatur

Durch Direct-Lead-Bonding (DLB) kann die maximale Chiptemperatur Tj(max) sinken. Um die Stromdichte an der Chip-Oberfläche zu senken und eine gleichmäßige Chip-Oberflächentemperatur (Tj) zu erreichen, wurde bereits in der ersten T-PM-Generation die Anzahl der W/B-Stellen auf dem Chip deutlich erhöht. Jede Emitter-Zelle eines Leistungshalbleiter-Chips wurde mit Mehrfach-Bondungen (Dreifach-Stitch-Bonding) kontaktiert. Diese Methode hat jedoch Grenzen. Es ist schwierig, die Zahl der Bondstellen weiter zu erhöhen.

Bild 6: Chipoberflächentemperaturen beim herkömmlichen T-PM (links) und neuem DLB (rechts).

Bild 6: Chipoberflächentemperaturen beim herkömmlichen T-PM (links) und neuem DLB (rechts).Mitsubishi

Um einen noch größeren Kontaktbereich an der Chip-Oberfläche zu erhalten, bietet die DLB-Technologie eine elegante Lösung. Bild 6 vergleicht die Temperaturverteilung über die Chip-Oberfläche bei W/B- (links) und DLB-Kontaktierung (rechts). Klar zu erkennen ist die deutlich höhere maximal auftretende Chiptemperatur Tj(max) bei W/B-Kontaktierung. Diese ist das Ergebnis der höheren Stromdichte an den Bondstellen und des schlechteren lateralen Temperaturausgleichs über die Chipoberfläche. Im Gegensatz dazu führt die DLB-Technologie mit ihrem großflächigen Lotkontakt über nahezu die gesamte Chipoberfläche zu einer gleichmäßigen Temperaturverteilung mit deutlich niedrigerem Tj(max). Somit trägt auch die DLB-Technologie dazu bei, den thermischen Widerstand θj-c im weiter entwickelten T-PM zu verringern.

Die weiter entwickelten T-PM sind zudem weniger empfindlich gegen Einschlüsse im Lot (so genannte Solder Voids). Simulationsergebnisse zeigen, dass kleine Gaseinschlüsse im Lot bei DLB-kontaktierten Chips den thermischen Widerstand weniger erhöhen. Darüber hinaus behindert die großflächige Lötung auf der Chip-Oberfläche die eventuelle Herausbildung von Hot-Spots, hervorgerufen durch einen lokal verschlechterten Wärmeübergang zwischen Chip und Wärmespreizer im Bereich von Solder Voids. Beide Effekte, die geringere Erhöhung des Rth und die Behinderung von Hot-Spot-Ausbildung, machen die neuen T-PM robuster gegen eventuelle Einschlüsse im Lot.

In den weiterentwickelten T-PM werden die maximalen Chiptemperaturen Tj(max) sowohl im stationären Zustand, als auch bei dynamischen Übergangsprozessen auf niedrigere Werte begrenzt werden, als in der T-PM Vorgängerversion.

Elektrische Vorteile der DLB-Kontaktierung

Aus elektrischer Sicht reduziert DLB die parasitäre Modul-Eigeninduktivität und senkt den Ohmschen Widerstand der Innenverbindungen im T-PM. Die niedrigere Eigeninduktivität rührt her von der flächigen Ausführung der oberen Kontaktschiene und ihrem kurzen Abstand zum darunterliegenden Kupfer-Wärmespreizer: Laut Simulation sinkt sie auf 57 % der Vorgängerversion mit W/B-Kontaktierung. Hierdurch besitzt das weiterentwickelte T-PM einen Vorteil in schnellschaltenden Wechselrichter-Applikationen, insbesondere bei hohen Zwischenkreisspannungen.

Die flächige Ausführung der oben liegenden Kontaktschiene und die Verwendung großflächiger, niederohmiger Lotverbindungen senkt den ohmschen Gesamt-Innenwiderstand deutlich. Diese Eigenschaft macht das T-PM sehr interessant für Anwendungen, in denen niedrigste Spannungsverluste angestrebt werden, also wenn die Summe aus der Vorwärtsspannung an den Leistungshalbleitern und dem ohmschen Spannungsabfall an den Bahnwiderständen minimiert werden soll. Dies ist beispielsweise bei Wechselrichtern mit Mosfet oder SiC der Fall.

Bündel an Innovationen

In der neuen Generation der T-PM-Leistungshalbleitermodule hat Mitsubishi die Wärmeableitung sowie die Kontaktierung deutlich verbessert und erreicht damit neue Leistungsklassen.