Aufbau- und Verbindungstechnik Die SKiN-Technologie verzichtet auf Lot und Bonddraht

Durch die lot- und bonddrahtfreie Aufbau- und Verbindungstechnik SkiN sind Effektivströme über 3000 A möglich. Damit lassen sich Umrichter um bis zu 35% verkleinern.

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Die Leistungselektronik erobert, getragen von der Notwendigkeit der Energieeinsparung und der Erhöhung der Energieeffizienz, immer mehr Märkte. Das zeigt sich nicht nur in dem wachsenden Markt der elektrischen Antriebsumrichter, sondern auch bei der Elektromobilität, den erneuerbaren Energien und dem Ersatz hydraulischer Antriebe.

Eine Schlüsselrolle spielt dabei die Aufbau- und Verbindungstechnik. Getrieben von der Notwendigkeit kompakter Aufbauten, hoher Zuverlässigkeit und niedrigen Kosten ist es notwendig, neue technologische Ansätze zu finden und den Weg des klassischen Moduls der Leistungselektronik mit einer Kupferbodenplatte, Lotverbindungen, Gehäuse und Bonddrähten zu verlassen.

Die traditionelle Aufbau- und Verbindungstechnologie besteht in der heutigen Form seit Mitte der 80er Jahre und basiert darauf, eine Keramik zur Trennung von thermischem und elektrischem Kreis einzusetzen. IGBT-, Dioden- oder Thyristorchips werden auf diese Keramik gelötet, die Oberseite mit Aluminium Bonddrähten verbunden.

Diese Keramik wird dann auf eine Kupferbodenplatte gelötet. Ein Gehäuse dient der mechanischen Fixierung (Bild 1). Die bekannten Zuverlässigkeitsgrenzen von Lotverbindungen und Bonddrähten limitieren eine Erhöhung der Leistungsdichte, die durch die Chiptechnologie mit höheren Sperrschichttemperaturen und neue Wideband Gap Materialien möglich sind. Die Silber-Sintertechnologie ist ein etabliertes Verfahren, um Lotverbindung zwischen Chip und Keramik zu ersetzen.

Eine neue Verbindungstechnologie, die SkiN-Technologie, basiert auf dem Ersatz der Lötverbindungen durch Sinterschichten. Dadurch können die Bonddrähte durch eine flexible Platine ersetzt werden. Diese wird auf die Chipoberseite gesintert. Im Gegensatz zu Bondaufbauten besitzt der Chip auf der Vorder- und Rückseite identische Metallisierungen, z.B. eine Silberoberfläche. Damit ist der Chip auf der Ober- und der Unterseite flächig mit der hochzuverlässigen Sinterschicht an die Stromzuführung angeschlossen.

Bei einer Bondverbindung werden nur ca. 20% der Chipoberfläche kontaktiert. Durch die flächige Anbindung der Chipoberseite bei der SkiN-Technologie erhöht sich die angebundene Fläche beim IGBT auf 50% und bei der Diode auf 80%. Damit sind ca. 25% höhere Stoßströme bei der Diode möglich.

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 ca. 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 81mm² und dem Kühlmedium Wasser von 0,85K/W um 30% auf 0,65 K/W sinkt (Bild 2).

Die unterschiedlichen thermischen Widerstände der Teilschichten im Fall mit und ohne Wärmeleitpaste resultieren aus einem Wärmespreizungseffekt. Die Wärmeleitpaste blockiert auf Grund ihrer schlechten Wärmeleitfähigkeit von 1 W/mK im Gegensatz zu Kupfer von 400 W/mK den Wärmefluss. Dieser findet dadurch in Chip und DB auf einer größeren Fläche statt, was den thermischen Widerstand um ca. 5 bis 10% verkleinert.

In der Gesamtbilanz ist dieser Effekt vernachlässigbar. 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 Pin-Fin-Wasserkühler möglich. Die hohe Stromdichte kann für sehr kompakte und zuverlässige Aufbauten im Megawatt-Bereich genutzt werden.

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