Bonddrahtlose Leistungsgehäuse für Elektro- und Hybridfahrzeuge

Anbieter zum Thema

ROHM Semiconductor GmbH

TRACO ELECTRONIC GMBH

Keysight Technologies Deutschland GmbH

Infineon Technologies AG

Direktes Löten vom Substrat zur Oberseite des Halbleiters

Aus diesem Grund wurde vor einigen Jahren die SFM-Technologie (Solderable Front Metal) entwickelt, die ein direktes Löten vom Substrat zur Oberseite des Halbleiters möglich macht. SFM wurde im vergangenen Jahrzehnt in Milliarden von Bausteinen erfolgreich eingesetzt, und die Verbesserungen der Zuverlässigkeit gegenüber Drahtbonds sind in der Literatur ausreichend belegt.

Dank SFM kann der Drahtbond entfallen

Durch SFM kann der Drahtbond entfallen, und über die verbesserte Zuverlässigkeit hinaus kann der Fertigungsprozess von Modulen dadurch drastisch vereinfacht werden, dass der Drahtbond-Prozessschritt vollständig entfällt und folglich auch die damit verbundene Ausbeuteeinbuße. Angesichts der Notwendigkeit, einen neuen Leistungsmodul-Baustein zur Verfügung zu stellen, der speziell auf die Anforderungen von (H)EV-Systemen zugeschnitten ist, setzten die Ingenieure von International Rectifier SFM in Verbindung mit Konzepten ein, wie sie ähnlich beim DirectFET-Gehäuse Verwendung finden.

Auf diese Weise entstand ein neuer Baustein mit der Bezeichnung CooliR²DIE, der Chips mit einer Fläche bis zu 225 mm² aufzunehmen vermag und für Leistungspegel über 50 kW gedacht ist. Die rechte Seite von Bid 1 zeigt die CooliR²DIE-Montagegruppe; ein ultradünner 680-V-IGBT mit 175 ˚C T_j max. mit Diode ist gemeinsam mit einer SFM-Ausführung auf einen Keramikträger montiert. Solder Bumps vervollständigen das Gehäuse. Das resultierende Produkt vermeidet die Drahtbonds, aber auch die Notwendigkeit für Modulhersteller, sich mit dem Sägen und der Platzierung von Chips abzumühen, die 70 µm dünn sein können, oder sogar noch weniger.

Statt dass er dünne Wafer kaufen muss, erhält der Hersteller CooliR²DIE-Teile als gegurtete Rollenware. Diese Teile durchlaufen einen Standard-Pick-and-Place-Prozess und werden dann auf das Substrat Reflow-gelötet – das ähnelt mehr der Bestückung einer Leiterplatte mit D2Pak-Bausteinen als dem Aufbau eines Moduls mit 70 µm dünnen Chips und Drahtbonding.

Vom CooliR²DIE gibt es zwei Varianten

Dann ist da noch ein zweiter Schritt, der eine weitere Systemvereinfachung ermöglicht; zwei Variationen des CooliR²DIE vermitteln dem Entwickler die Gelegenheit, unter Verwendung von nur einem Einschicht-Substratmaterial ein äußerst optimales Schaltungslayout zu konstruieren.

Verwendet man die Die Up-Version für den High-Side-Schalter und Flipped Die für den Low-Side-Schalter, lässt sich eine sehr kompakte Halbbrückenschaltung mit geringer Induktivität herstellen. Es hat sich als möglich erwiesen, mithilfe einer solchen Konfiguration ein Modul mit einer Schleifeninduktivität von weniger als 12 nH zu bauen – dieser Wert liegt wesentlich unter dem von Standard-Drahtbond-Modulen, wie sie derzeit auf dem Markt sind. Außerdem hat der Aufbau des CooliR²DIE zur Folge, dass die Solder Bumps an beiden Enden des Trägers tatsächlich miteinander verbunden sind (Bild 2, Anschlüsse C/C’ und E/E’).

Besonders kompakte und elektrisch effiziente Systeme

Durch Übergang von einer Drahtbond-Modulkonstruktion zu einer, die Direktlötverbindungen zum Chip verwendet, können weit kompaktere und elektrisch effizientere Systeme gebaut werden. Zudem ist die Vereinfachung in der Fertigung und die Kostensenkung klar – der mühsame Drahtbonding-Schritt kann völlig entfallen. Doch darüber hinaus sind die Auswirkungen auf die Zuverlässigkeit dramatisch. Die Zahl aktiver Leistungsz yklen, die ein Temperatur-Delta an der Sperrschicht des Halbleiters erzeugen, ist eine jener Messgrößen zur Messung der Zuverlässigkeit von Leistungsmodulen. Die Angaben zur Zuverlässigkeit von drahtgebondeten Modulen schwanken; doch gilt es für ein herkömmliches Modul als nicht unüblich, dass es bis zu 100.000 Zyklen bei einer T_j von 85 °C erzielt. Bei Prototyp-Tests erreicht der CooliR²DIE aber mehr als 950.000 Zyklen.

Hybrid- und Elektroautos müssen besser werden

Voraussetzung für den Erfolg der Elektrifizierung des Automobils ist der politische Wille, den die Welt mittlerweile wohl hat. Auch eine finanzielle Motivation zählt zu den Haupt-Triebfedern, und mehr und mehr werden derartige Fahrzeuge durch steuerliche Anreize, niedrigere Kapitalkosten infolge des Hochfahrens der Produktionsvolumina sowie durch eine wachsende Ladestruktur immer erschwinglicher.

Letztendlich jedoch müssen an die Performance des Autos keine Zugeständnisse gemacht werden; der Verbrennungsmotor hat eine sehr hohe Messlatte gesetzt und Elektro- und Hybridfahrzeuge müssen diese übertreffen, wenn sie erfolgreich sein wollen. Wobei eine optimierte Leistungselektronik, die den speziellen Anforderungen der Automobilindustrie genügt, ein lebenswichtiger Treiber sein wird, damit die Elektrifizierung des Autos ein Erfolg wird.

* Benjamin Jackson ist Senior Manager, Automotive Power Switch & Power Module, Product Management & Business Development.

(ID:39155520)