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).

Leistungsmodul mit vorgebogener DCB-Keramik

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.

Thermischer Widerstand einer nicht gebogenen und einer gebogenen DCB-Keramik sowie einer gebogenen DCB-Keramik aus phase-change Material Leistungsmodul

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.

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