Die SKiN-Technologie verzichtet auf Lot und Bonddraht

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35 Jahre Evolution in der Aufbau- und Verbindungstechnik

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 aufwendig. Eine Keramik, damals BeO, hat den Vorteil einer guten thermischen Anbindung und einer hohen Isolationsfähigkeit. 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 auf den Markt – die SKiiP-Technologie. 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. Als Schnittstelle zur Ansteuerplatine dienten bisher meist Lötstifte und Steckkontakte wie Fast-On-Stecker.

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 bzw. 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.

Steigende Temperaturen und das Problem der Delaminierung

Bei der Zuverlässigkeit wurde ein entscheidender Vorsprung 2007 erreicht. Silbersintern ist seit 30 Jahren ein in der Industrie etablierter Prozess und wird vor allem bei der Scheibenzellenmontage eingesetzt. Mit der Anwendung dieses Verfahrens 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 als Folge der Temperaturunterschiede im Betrieb. Diese Delaminierung führt zu höheren thermischen Widerständen und zu einer Überschreitung der Temperaurgrenzen. In Verbindung mit Druckkontakttechnologie, Sintern und Federn als elektrische Kontakte war es damit erstmals möglich, ein komplett lotfreies Modul aufzubauen.

Dass die Zuverlässigkeit limitierende Element der Aufbau- und Verbindungstechnik sind weiterhin die Bonddrähte. Wie bereits beschrieben, konnte 2011 durch den Ersatz mittels einer Sinterschicht und einer flexiblen Platine auch dieses Thema gelöst werden. All diese Innovationsschritte zeigen, dass es das technologische Ziel von SEMIKRON ist, die Produkte zuverlässiger zu machen und den Aufbau zu vereinfachen. Mit der SkiN-Technologie wird erstmals nur eine einzige Verbindungstechnologie auf die unterschiedlichen Lagen im Modul angewendet. Neben den bereits beschriebenen thermischen Vorteilen und der Steigerung der Lebensdauer bewirkt diese Verringerung unterschiedlicher Prozesse bei der Produktion ein erhebliches Zukunftspotential zur Automatisierung und Kosteneffizienz.

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