Heutige Moduldesigns basieren in erster Linie auf Keramiksubstraten wie etwa Al₂O₃ (Aluminiumoxid) oder AlN (Aluminiumnitrid), aber die steigenden Leistungsanforderungen veranlassen Entwickler, fortschrittliche Substratalternativen wie Siliziumnitrid in Betracht zu ziehen. Ein Beispiel sind xEV-Anwendungen, bei denen eine Erhöhung der Chip-Temperatur von 150 °C auf 200 °C die Schaltverluste um zehn Prozent reduziert. Darüber hinaus tragen neue Materialtechnologien wie löt- und drahtgebundene Module dazu bei, dass die aktuellen Substrate eine Schwachstelle bilden.

Ein weiterer bedeutender Entwicklungsfaktor ist die Forderung nach längerer Lebensdauer unter rauen Bedingungen wie etwa bei Windkraftanlagen. Unter Berücksichtigung sämtlicher Umweltbedingungen haben sie eine zu erwartende Lebensdauer von 15 Jahren ohne Ausfälle; daher suchen Entwickler für diese Anwendung auch nach verbesserten Substrattechnologien.

Ein dritter Entwicklungsimpuls für verbesserte Substratoptionen geht von der zunehmenden Verwendung von SiC-Bauteilen aus. Die ersten Module, die auf SiC-Basis funktionieren und eine optimierte Materialtechnologie verwenden, zeigen eine Verlustreduzierung von 40 bis 70 Prozent im Vergleich zu herkömmlichen Modulen, aber auch die Notwendigkeit der Entwicklung neuer Materialtechnologien einschließlich Siliziumnitrid-Substraten (Si₃N₄). All diese Trends werden die zukünftige Rolle traditioneller Al₂O₃- und AlN-Substrate einschränken, während Si₃N₄-Substrate in Zukunft die erste Wahl für das Design von Hochleistungsmodulen sein werden.

Aufgrund der hohen Biegebruchfestigkeit, der enormen Bruchzähigkeit und der guten Wärmeleitfähigkeit eignet sich Si3Ni4 besonders für leistungselektronische Substrate. Die Eigenschaften der Keramik und ein detaillierter Vergleich von Kenngrößen wie Teilentladung oder Risswachstum zeigen einen signifikanten Einfluss auf das endgültige Substratverhalten wie beispielsweise Wärmeleitfähigkeit und Temperaturwechselverhalten.

Die Haupteigenschaften bei der Auswahl der Isoliermaterialien für Leistungsmodule sind Wärmeleitfähigkeit, Biegebruchfestigkeit sowie Bruchzähigkeit. Eine hohe Wärmeleitfähigkeit ist entscheidend für die schnelle Wärmeableitung in einem Leistungsmodul. Die Biegebruchfestigkeit ist wichtig für die Handhabung und Verwendbarkeit des Keramiksubstrats im Montageprozess, während die Bruchzähigkeit entscheidend für die Vorhersage der Zuverlässigkeit ist.

Die getesteten Materialien im Vergleich

Tabelle 1: Die getesteten Materialien im Vergleich. Rogers

Wie aus Tabelle 1 ersichtlich, weist Al₂O₃ (96 %) eine niedrige Wärmeleitfähigkeit und niedrige mechanische Werte auf. Die Wärmeleitfähigkeit von 24 W/mK ist jedoch für viele der heutigen industriellen Standardanwendungen ausreichend. Der große Vorteil von AlN liegt in der sehr hohen Wärmeleitfähigkeit von 180 W/mK trotz moderater Zuverlässigkeit. Dies ist eine Folge der geringen Bruchzähigkeit und der ähnlichen Biegebruchfestigkeit wie bei Al₂O₃.

Die steigenden Anforderungen an die Zuverlässigkeit haben die Entwicklung von ZTA-Keramiken (zirkonoxid-gehärtetes Aluminiumoxid) in jüngster Zeit vorangetrieben. Diese Keramiken weisen eine deutlich höhere Biegebruchfestigkeit und Bruchzähigkeit auf. Allerdings liegt die Wärmeleitfähigkeit von ZTA-Keramiken im gleichen Bereich wie die von Standard-Al₂O₃ und ist daher in Hochleistungsanwendungen mit den höchsten Leistungsdichten nur bedingt einsetzbar.

Ein Vergleich zeigt, dass Si₃N₄ eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit hoher mechanischer Leistung verbindet. Die Wärmeleitfähigkeit kann mit 90 W/mK spezifiziert werden, und sie besitzt die höchste Bruchzähigkeit der Vergleichskeramik (6,5 – 7 MPa/√m). Diese Eigenschaften lassen erwarten, dass Si₃N₄ die höchste Zuverlässigkeit als metallisiertes Substrat aufweisen wird.

Erfahren Sie auf der nächsten Seite, unter welchen Kriterien die Ingenieure die Substrate testeten und zu welchen Ergebnissen Sie kamen.

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