Die SKiN-Technologie verzichtet auf Lot und Bonddraht

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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.

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 müssen daher robust gestaltet und aus Kupfer sein. Sie 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. Die Folie kann zur Seite verlängert und dann durch Klemm- oder Federverbindungen mit der Ansteuerplatine verbunden werden. Damit sind flache und Platz sparende Systeme möglich (Bild 5). Es lassen sich die Anschlüsse auch nach oben biegen und die Treiberplatine von unten kontaktieren.

Die flexible Platine bietet als nächsten Schritt in der SkiN-Technologie die 3D-Integration an. Ähnlich wie bei einer normalen PCB sind auf der Oberseite Treiber-IC und Schutzfunktionen integrierbar. Dadurch ist die Verbindung zwischen Ansteuerelektronik und IGBT sehr kurz und unterstützt eine optimale Schaltperformance.

* * Thomas Grasshoff ... ist Leiter Produktionsmanagement bei Semikron International, Nürnberg.

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