Die SKiN-Technologie verzichtet auf Lot und Bonddraht

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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 (Bild 3). 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. Eine andere Anwendung der SkiN-Technologie ist die Fahrzeugelektrifizierung. In Elektro- und Hybridfahrzeugen werden Umrichter zur Motorsteuerung benötigt. Durch die kompakte und flache Aufbautechnologie lassen sich sehr kompakte Umrichter für Fahrzeuganwendungen realisieren.

Der komplette Umrichter mit DC/DC-Wandler für eine Leistung von 90 kW in einer 5,5 l großen Box wiegt nur 8,5 kg und ist gegen eindringendes Wasser geschützt (Bild 4). Neben dem DC/DC-Wandler sind in dem Gehäuse der Wasserkühler, Ansteuerelektronik, Controller und Filter untergebracht. Mit dem konsequenten Ersatz aller Verbindungen durch das Sinterverfahren ist eine erhebliche Verbesserung der Zuverlässigkeit möglich.

Typischerweise dient die Lastwechselfestigkeit dazu, Vorhersagen zur Lebensdauer eines Produktes im Feld zu machen. Im Vergleich zu der IGBT4-Zuverlässigkeitskurve kann die Lebensdauer um den Faktor 10 erhöht werden. Dies ermöglicht, die höheren Sperrschichttemperaturen von den neuesten Chipgenerationen oder SiC-Materialien ohne Kompromisse in der Lebensdauer zu nutzen. Eine Erhöhung der Betriebstemperatur eines Moduls um 25 K bedeutet eine Reduktion der Zuverlässigkeit um den Faktor 5.

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.

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