Wasserkühlung in High-Power-Anwendungen thermisch simuliert Diskrete TO-247PLUS-Gehäuse für Hochleistungsanwendungen

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Infineon Technologies AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

In High-Power-Anwendungen ist die Kühlung der Leistungshalbleiter herausfordernd. Wie Simulationen und Tests zeigen, ist die Montage eines diskreten Bauelements mittels eines DCB-Substrats auf einer wasserdurchströmten Kühlplatte eine mögliche Lösung.

Hochleistungsanwendungen erfordern eine hohe Leistungsdichte sowie zuverlässige Leistungshalbleiter – und das zu einem vernünftigen Preis. Der Einsatz von diskreten Bauelementen senkt zwar die Gesamtkosten eines Systems, die Komponenten müssen jedoch hohen thermischen Anforderungen über viele anspruchsvolle Lastzyklen hinweg standhalten.

Um diese Anforderungen zu erfüllen, sollten Leistungshalbleiter geringe Gesamtverluste aufweisen, als möglichst großflächige Chips in einem Standardgehäuse erhältlich sein und über ein gutes Kühlsystem verfügen. Eine mögliche Lösung für Entwicklungsingenieure ist ein diskretes Bauelement, das mithilfe eines Direct Copper Bonding Substrats (DCB) auf einer „Cold Plate“ (wasserdurchströmten Kühlplatte) montiert wird – unter der Voraussetzung, dass sich das diskrete Bauelement wie ein oberflächenmontiertes Bauelement (SMD) montieren lässt.

Reflow-Löttests mit diskreten TO-247PLUS-Gehäusen

Für große Chips [1], wie sie für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte benötigt werden, eignet sich das diskrete Gehäuse TO-247PLUS in idealer Weise. Um eine maximale thermische Leistung zu ermöglichen, spielt ein möglichst geringer thermischer Widerstand zwischen dem Chip und dem Kühlsystem eine wesentliche Rolle – erreichbar zum Beispiel durch Reflow-Löten der Rückseite des Gehäuses über eine DCB an die wassergekühlte Platte. Allerdings handelt es sich bei den hier verwendeten Leistungshalbleitern um Standardbauelemente, die für Durchsteckmontage (Through-hole Device; THD) und Wellenlöten vorgesehen sind. Daher wurden an dem Gehäuse Verbesserungen vorgenommen, damit es dem Reflow-Lötprozess standhalten kann.

Für die Evaluierung dieses Ansatzes wurden mithilfe eines konfokalen akustischen Rastermikroskops (Confocal Scanning Acoustic Microscopy, CSAM) Untersuchungen sowohl an einem Standard-TO-247 (Bild 1) als auch an der verbesserten Version eines TO-247PLUS-Gehäuses durchgeführt. Nach einer Vorkonditionierung mit der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe (MSL) 3 wurden die Standard-TO-247-Bauteile bei einer Höchsttemperatur von 245 °C für 30 Sekunden über dem Höchstwert im Re­flow-Verfahren gelötet.

Nach diesem Lötvorgang lassen sich sowohl auf der Oberseite der Bonddrähte als auch auf der Chipoberfläche erhebliche Delaminationen feststellen. Solche Delaminationen wirken sich bekanntermaßen negativ auf die Bondverbindung und somit auf die Lebensdauer des Produkts aus. Darüber hinaus kann sich eine Delamination auf dem Die-Pad bis zur Gehäuseoberfläche erstrecken und so einen Pfad vom Inneren des Gehäuses nach außen bilden, wodurch der Chip rauen Umgebungsbedingungen wie Feuchtigkeit ausgesetzt wird. Aus diesen Gründen wird ein Standard-TO-247-Gehäuse nicht für das Reflow-Löten empfohlen.

Auch die verbesserte Version des TO-247PLUS-Gehäuses wurde bei einer Reflow-Löttemperatur von 245 °C für 30 Sekunden über dem Höchstwert gelötet – und dabei mit der Feuchtigkeitsempfindlichkeitsstufe 1 vorkonditioniert. Bild 2 zeigt die CSAM-Ergebnisse dieses Tests nach 2.000 Temperaturzyklen. Weder schwere Delaminationen noch elektrische Ausfälle ließen sich feststellen.

Auswirkungen von DCB-Varianten auf die thermische Impedanz

Die verbesserte Version des TO-247PLUS-Gehäuses wurde gemäß der Norm JEDEC J-STD-020E entwickelt und qualifiziert. Im Laufe dieser Entwicklung führte das Team mehrere Simulationen durch. Das in diesen Simulationen betrachtete Bauteil enthält den größten Chip, der in einem TO-247PLUS-Gehäuse zum Einsatz kommen kann. Damit die Vorteile des für das Reflow-Verfahren geeigneten TO-247PLUS deutlich werden, gilt es zunächst, den Wärmewiderstand des Gesamtsystems zu überprüfen.

Vor den Zuverlässigkeitsprüfungen des auf einem DCB-Substrat montierten Bauteils wurden thermische Simulationen mit der Finite-Elemente-Analysesoftware Ansys durchgeführt. Sie geben einen ersten Hinweis auf die thermische Leistung des Systems für verschiedene DCB-Varianten. Zur Vereinfachung des Simulationsmodells entschieden sich die Entwickler, die Bonddrähte wegzulassen und die Simulation so noch mehr auf den Wärmefluss zwischen der Sperrschicht und der Umgebung zu konzentrieren.

Das DCB-Substrat besteht aus zwei Kupferschichten mit einem dazwischenliegenden Al₂O₃-Keramikisolator. Im Modell betrugen die Schichtdicken 0,3 mm Kupfer, 0,38 mm Al₂O₃-Keramik und nochmal 0,3 mm Kupfer. Auf die obere Kupferschicht ist das Halbleitergehäuse mit einer 80 µm dicken SAC-Legierung gelötet, während die untere Kupferschicht der DCB auf eine Kupfergrundplatte gelötet ist. Bild 3 zeigt das simulierte System, dessen Simulationsergebnisse nachfolgend mit den tatsächlichen Werten verglichen wurden.

Die thermische Impedanz bestimmten die Entwickler anhand der Abkühlungskurve. Dazu erhitzten sie den Chip 20 Sekunden lang auf 150 °C, um eine statische Wärmeverteilung zwischen Chip, DCB und Grundplatte zu erreichen. Weitere Tests führten sie mit unterschiedlichen Größen und Dicken des DCB-Kupfers durch und berücksichtigten auch die Qualität des Lots, um dessen Einfluss auf den Gesamtwärmewiderstand des Systems zu verstehen. Tabelle 1 gibt einen Überblick über den simulierten Wärmewiderstand zwischen Sperrschicht und Umgebung (R_th(j-a)) für verschiedene DCB-Varianten.

Eine Vergrößerung des DCB-Substrats kann die thermische Impedanz des Systems verringern, während eine Verringerung der Kupferdicke der DCB den R_th(j-a) erhöht. Ein kritischer Parameter ist die Lunkerbildung in der Lotschicht, bei der ein erheblicher Anstieg des R_th(j-a) zu beobachten war. Um die Festigkeit und Qualität der Verbindungen zwischen Halbleiter, DCB und Grundplatte sowie die thermische Gesamtleistung zu verbessern, sollte statt konventionellen Lötverfahren die Verwendung von Silbersintern in Betracht gezogen werden.

Thermische Leistung bei Wechselrichteranwendungen

Um die thermische Leistung des TO-247PLUS SMD-Gehäuses zu beurteilen, führten die Entwickler Tests mit hohen Strömen in einer Wechselrichteranwendung durch. Sie montierten die Prüflinge auf ein DCB-Substrat und testeten sie unter anwendungsrelevanten Bedingungen. Bei den Testmustern handelte es sich um einen 750 V/ 200 A EDT2 IGBT, gemeinsam mit einer 200 A EmCon3-Diode in einem TO-247PLUS SMD-Gehäuse, der für Hauptwechselrichtersysteme, insbesondere für Anwendungen in Bau-, Nutz- und Landwirtschaftsfahrzeugen (CAV) entwickelt wurde. Die EDT2 IGBT-Technologie basiert auf Micro-Pattern-Trenches, welche die Leitungs- und Abschaltverluste erheblich reduzieren und für Schaltfrequenzen im Bereich von 10 kHz optimiert sind.

Bild 4 zeigt den realen Prüfaufbau bestehend aus Halbleitern (Prüflingen), DCB-Substraten und der Grundplatte. Jeweils zwei Bauteile werden in einer B6-Konfiguration parallelgeschaltet, sodass insgesamt zwölf Prüflinge zur Verfügung stehen. Alle Prüflinge sind durch Reflow-Löten mit jeweils einer DCB verbunden und auf einer wassergekühlten Grundplatte montiert. Als Last dient ein Permanentmagnetmotor. Thermoelemente wurden zur Überwachung der Geräte-, der Grundplatten- und der Wasserein- sowie auslasstemperaturen verwendet. Die Zwischenkreisspannung für diesen Wechselrichter wurde auf 310 V und die Wassertemperatur auf 27 °C eingestellt.

Bei der thermischen Prüfung handelt es sich um eine Anwendungssituation unter Maximalbedingungen. Bei niedriger Schaltfrequenz arbeitet der Wechselrichter an jedem seiner Phasenstränge mit hohen Spitzenströmen über einen längeren Zeitraum. Wenn die Kühlung nicht angemessen ist, wird der IGBT beziehungsweise die Diode erhitzt, möglicherweise auf eine Temperatur oberhalb der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur. Bild 5 zeigt ein Beispiel für eine Stromkurve, die einem blockierten Rotor bei einer Schaltfrequenz von 4 kHz entspricht. Eine Rotorblockade für einen Motor ist vergleichbar mit einem Kurzschlusstest. Der gemessene Spitze-Spitze-Strom des Wechselrichterausgangs liegt bei 1.092 A, was zu einem Effektivstrom von 315 A führt. Im Grunde handelt es sich dabei um einen Blindstrom, die Ausgangsfrequenz ist mit 1 Hz sehr niedrig. Bei der Belastung des Umrichters mit etwa 500 bis 1.000 A für eine bestimmte Dauer wurden die maximalen Temperaturen der Testgeräte gemessen.

In Tabelle 2 sind die Lastströme und Belastungszeiten aufgeführt, die einem Wechselrichter entsprechen, der mit 10 kHz betrieben wird. Bei einem Spitze-Spitze-Strom von 986 A, der einem Effektivstrom von 284 A entspricht, erwärmt sich der Prüfling bei einer Dauer von 24 Sekunden auf eine maximale Temperatur von 112 °C.

In Tabelle 3 sind zum Vergleich die entsprechenden Lastströme und die Belastungszeiten bei blockiertem Rotor für Wechselrichter aufgeführt, die mit einer Schaltfrequenz von 4 kHz arbeiten. Bei einem Spitze-Spitze-Strom von 1.092 A, was einem Effektivstrom von 315 A entspricht, wird der Prüfling bei einer Dauer von einer Minute auf eine maximale Temperatur von 105 °C erwärmt. Alle resultierenden Maximaltemperaturen des Prüflings liegen innerhalb der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur der Bauteile von 175 °C.

Fazit

Ein TO-247PLUS SMD-Gehäuse ist vor allem für anspruchsvolle Anwendungen geeignet, die eine hohe Leistungsdichte und zuverlässige Leistungshalbleiter zu einem vernünftigen Preis erfordern. Das Gehäuse lässt sich im Reflow-Verfahren auf ein DCB-Substrat löten, ohne dass es zu einer Delamination kommt. Dadurch wird der Wärmewiderstand zwischen dem Bauteilchip und dem DCB-Substrat minimiert. Thermische Simulationen zeigen, dass einzelne Lunker in der Lötschicht einen großen Einfluss auf die thermische Leistung des Gesamtsystems haben, wobei Silbersintern die Wärmeleitfähigkeit des Systems erheblich verbessern kann. Anwendungstests bestätigten, dass der EDT2 IGBT zusammen mit einer EmCon3-Diode in einem TO-247PLUS SMD-Gehäuse die Anforderungen von Hochleistungsanwendungen wie CAV erfüllt. Ein Rotor-Lock-Test, der mit einem Systemkurzschlusstest vergleichbar ist, ergab, dass die Bauteile in­nerhalb der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur arbeiten. (cg)

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Literatur

[1] Infineon Technologies AG, „Application Note – TO-247PLUS” https://www.infineon.com/dgdl/Infineon-Discrete_IGBT_in_TO-247PLUS-AN-v02_00-EN.pdf?fileId=5546d46249cd10140149e0c7fe9d56c7

[2] Infineon Technologies AG, „Additional Information - Recommendations for Assembly of Infineon TO Packages” https://www.infineon.com/dgdl/Recommendations+for+Board+Assembly_TO.pdf?fileId=db3a30433fa8a51a013fa8b4d1fe0011

* Omar Harmon ist Applikationsingenieur und technischer Marketingverantwortlicher bei Infineon Technologies

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