Embedded Power Devices und Logik in Hochstromleiterplatten

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Temperaturbeständigkeit von Substraten

Ein weiterer zentraler Aspekt ist die Temperaturbeständigkeit von leistungselektronischen Leiterplattensubstraten. Leistungshalbleiter vertragen in der Regel Junction-Temperaturen von 175 °C. Dieser Temperaturbereich wird durch neue Halbleitertechnologien weiter angehoben, und so sind für die nächsten Jahre bis 200 °C oder gar 225 °C prognostiziert.

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Möchte man diesen Temperaturbereich ausschöpfen, erfordert dies Substrate, die im genannten Temperaturbereich einsetzbar sind. Die Erhöhung der Einsatz- bzw. Betriebstemperatur ist dabei auch vom Gedanken getrieben, den Aufwand für das Kühlsystem und damit die Systemkosten der Leistungselektronik zu verringern.

Keramische Substrate, wie DCB/DBC-Substrate, bestimmen heute weite Bereiche der Leistungselektronik, da diese hohe elektrische Isolation mit hoher thermischer Beständigkeit in sich vereinen. Nachteilig wirken sich die hohen Kosten von keramischen Schaltungsträgern sowie die Einschränkungen hinsichtlich Feinheit der Strukturierung und Lagenzahl der Substrate aus.

Organische Leiterplattenmaterialien haben diese Einschränkungen hinsichtlich der Strukturierung und der Lagenzahl nicht, allerdings ist die thermische Leitfähigkeit der verwendeten Epoxidharze signifikant geringer als die der keramischen Werkstoffe. Ein großer Vorteil der organischen Schaltungsträger ist jedoch, dass diese signifikant kostengünstiger sind, weshalb sich der Einsatz von keramischen Schaltungsträgern jeweils auf die Bereiche der Leistungselektronik begrenzt, die die Eigenschaften von Keramik zwingend erfordern.

Die klassische Verarbeitungstechnologie von Leiterplatten ist die vollautomatische Bestückung von SMD-Komponenten. Die Durchsteckmontage beschränkt sich im Wesentlichen auf die Zwischenkreiskondensatoren, sofern diese nicht ebenfalls schon durch SMD-Bauteile abgelöst wurden.

Bei keramischen Schaltungsträgern werden ungehäuste Halbleiter an ihrer Unterseite mit dem Substrat über Leitkleben, Löten, Silber-Sintern oder Diffusionslöten elektrisch und thermisch angebunden. Die Verbindung der Oberseite erfolgt klassisch über Al-Dickdrahtbonden, teilweise bereits abgelöst durch Kupferdraht-Bonden. Zur Stabilisierung der Bondverbindungen findet nach der Bestückung häufig ein Verguss mit hochviskosem Silikongel statt.

Die erforderliche Logikansteuerung und Treiberelektronik wird über einen separaten Schaltungsträger realisiert, in der Regel eine Leiterplatte, und häufig über Einpresskontakte mit der Leistungselektronik verbunden. Betrachtet man das Gesamtsystem der leistungselektronischen Applikation findet man meist eine hohe Anzahl verschiedener Aufbau- und Verbindungstechnologien, die sowohl einzeln als auch im Verbund die erforderlichen Zuverlässigkeits- und Kostenziele treffen müssen.

CAD, PCB- UND BAUGRUPPENTECHNIK, FOLGE 21 (Ende)

Die 10 großen Irrtümer in der Leiterplatten-Entwicklung

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