Leistungselektronik: Aufbau- und Verbindungstechnik ohne Lot und Bonddraht

Klassik und Evolution

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Die Leistungselektronik erobert getragen von der Notwendigkeit der Energieeinsparung und der Erhöhung der Energieeffizienz immer mehr Märkte. Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Aufbau- und Verbindungstechnik. Getrieben von der Notwendigkeit kompakter Aufbauten, hoher Zuverlässigkeit und niedrige Kosten ist es notwendig, neue technologische Ansätze zu finden und den Weg des klassischen Moduls der Leistungselek- tronik zu verlassen.

Exklusiv in kem Der Autor Thomas Grasshoff ist Leiter Produktmanagement international der Semikron International GmbH, Nürnberg

Die „Skin“-Technologie stellt den Höhepunkt einer Reihe technischer Innovationen der vergangenen 35 Jahre dar. Der Durchbruch in der Leistungselektronik war im Jahre 1974 erreicht, als erstmals eine Keramik eingesetzt wurde, um den thermischen und elektrischen Kreislauf in einer Anlage zu trennen. Bis dato war der Kühlkörper immer auf Spannungsniveau und damit war eine elektrische Isolation des Gehäuses aufgrund des Berührungsschutzes aufwändig. Mit einer Erdung des Kühlkörpers waren neue Massekonzepte möglich und die Umrichter und Stromversorgungen wurden deutlich kleiner und kostengünstiger. Eine für den Erfolg von Semikron entscheidende Innovation kam 1992 mit der „Skiip“-Technologie auf den Markt. Der Grundgedanke dabei war, die Kupfer-Bodenplatte als Schnittstelle zum Kühlkörper wegzulassen und dafür die Keramik direkt aufzudrücken. Damit einher ging eine Reduktion der Anzahl der Lötschichten von 5 auf 1. Das Drucksystem erlaubt eine bessere thermische Anbindung an den Kühlkörper. Das Weglassen der Lotschicht zwischen Kupferbodenplatte und Keramik eliminiert eine kritische Schnittstelle bei Temperaturwechseln. Die Zuverlässigkeit bei Temperaturwechseln konnte damit um den Faktor 5 gesteigert werden. Im Jahre 1996 wurde erstmals ein Federkontakt von Semikron eingesetzt, um eine elektrische Verbindung zwischen Leiterplatte und Modul herzustellen. Das hatte den entscheidenden Vorteil, dass sich die Montage vereinfacht und qualitativ problematische Handlötungen beziehungsweise kostspielige Halterungen für Wellenlötanlagen wegfallen. Bei Umrichtern mittlerer Leistung bis 42 kW konnte damit das Design wesentlich einfacher gestaltet werden. Modul, Ansteuerplatine, Kühlkörper und Gehäuse werden erst in der Endmontage miteinander verbunden. So lassen sich Fertigungskosten sparen. Bei der Zuverlässigkeit wurde ein entscheidender Vorsprung 2007 erreicht. Mit der Anwendung des Silbersinterns auf die Schnittstelle zwischen Chip und Keramik war es möglich, die Lotschicht zu ersetzen. Getrieben durch die Forderung nach Kostensenkungen werden die Chips immer kleiner bei gleichem Stromrating und zwangsläufig steigen die Betriebstemperaturen des Siliziums. Neue Materialien wie SiC entfalten ihre volle Performance erst oberhalb von 200 °C. Standardlote haben aber einen Schmelzpunkt bei 250 °C und somit ist der Abstand zwischen Betriebstemperatur und Schmelzpunkt zu gering. Die Folge ist eine Delaminierung der Lotverbindung zwischen Chip und Keramik durch die Temperaturunterschiede im Betrieb. In Verbindung mit Druckkontakttechnologie, Sintern und Federn als elektrische Kontakte war es damit erstmals möglich, ein komplett lotfreies Modul aufzubauen.
Skin-Technologie bringt Leistungsplus von 30 Prozent
Eine neue Verbindungstechnologie, die Skin-Technologie, basiert auf dem Ersatz der Lötverbindungen durch Sinterschichten. Bonddrähte werden durch eine flexible Platine ersetzt. Diese wird auf die Chipoberseite gesintert. Im Gegensatz zu Bondaufbauten besitzt der Chip auf der Vorder- und Rückseite identische Metallisierungen, zum Beispiel eine Silberoberfläche. Damit ist der Chip auf der Ober- und der Unterseite flächig mit der hochzuverlässigen Sinterschicht an die Stromzuführung angeschlossen.
Die maximal zulässige Verlustleistung eines Leistungshalbleiters ist limitiert durch die maximal zulässige Sperrschichttemperatur, die Temperatur des Kühlmediums und dem thermischen Widerstand zwischen Chip und Kühlmedium. In dem thermischen Modell eines leistungselektronischen Systems ist die Wärmeleitpaste eine entscheidende Einflussgröße. Sie repräsentiert rund 30 % des thermischen Widerstandes vom Gesamtsystem. Durch das Sintern der DCB auf den Kühlkörper kann dieser Engpass beseitigt werden. Die Rückseite der DCB wird mittels Silbersintern auf einen Pin-Fin Aluminium Kühlkörper verbunden. Beim Vergleich der thermischen Widerstände eines Schichtenaufbaus mit Bodenplatte und der Skin-Technologie zeigt sich, dass der thermische Widerstand zwischen der Sperrschichttemperatur des IGBTs mit einer Fläche von 81 mm² und dem Kühlmedium Wasser von 0,85 K/W um 30 % auf 0,65 K/W sinkt. Die verbesserte thermische Leitfähigkeit resultiert in einer verbesserten Chipkühlung, und damit sind höhere Ströme möglich. In dem gezeigten Beispiel kann bei gleicher maximaler Sperrschichtemperatur eine um 30% höhere Leistung abgeführt werden. Eine sehr effiziente Kühlung ist mit einem Pinfin Wasserkühler möglich.
Stromdichte verdoppelt
Die hohe Stromdichte kann für sehr kompakte und zuverlässige Aufbauten im Megawatt Bereich genutzt werden. Eine Konzeptstudie eines 3 MW-Moduls auf Wasserkühler für den Einsatz in Umrichtern für Windkraftanlagen zeigt im Vergleich zu einer Realisierung auf Modulbasis, dass die Stromdichte verdoppelt werden kann. Dieses neuartige Konzept beinhaltet neben der Leistungselektronik auf Skin-Basis die Ansteuerung, Schnittstellen und Schutzfunktionen. In der gezeigten Konfiguration sind Effektivströme über 3000 A möglich. Damit lassen sich Umrichter um bis zu 35 % verkleinern.
Mit dem konsequenten Ersatz aller Verbindungen durch Sintern ist eine erhebliche Verbesserung der Zuverlässigkeit möglich. Im Vergleich zu der IGBT4 Zuverlässigkeitskurve kann die Lebensdauer um den Faktor 10 erhöht werden.
Es ist wichtig für den Erfolg einer Technologie, die Gesamtintegration in das leistungselektronische System zu betrachten. Dazu gehören die Lastanschlüsse und die Treiberschnittstelle. Eine Skin- Einheit in der dargestellten Größe bietet Lastströme bis 400 A. Die Hauptanschlüsse sind ebenfalls auf die DCB gesintert und können auf der Verbindungsseite durch Schweiß- oder Klemmverbindungen kontaktiert werden. Die flexible obere Lage bietet verschiedene Möglichkeiten der Kontaktierung.
Neue Wege in der Systemintegration
Die Skin-Aufbautechnologie ist frei von Bonddrähten, Lötungen und Wärmeleitpaste. Alle Verbindungen zur Chipober- und Unterseite, der Keramik zum Kühlkörper und der Anschlüsse zur Keramik sind durch Sintern hergestellt. Die Bonddrähte sind durch eine flexible Folie ersetzt, die die Kontaktfläche auf der Chipoberseite um den Faktor 4 erhöht. Vor allem durch den Ersatz der Wärmeleitpaste und Einsatz eines „Pinfin“-Wasserkühlers kann das System die doppelte Wärmemenge im Vergleich zu Standardaufbauten abführen und damit die Umrichter um bis zu 35 % verkleinern.
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