Verbindungs- und Aufbautechnik Folie und Sintertechnik ersetzen Bonddraht bei Leistungshalbleitern für u.a. doppelte Stromdichte

Es ist fast ein Quantensprung in der Leistungselektronik: Semikrons neue Aufbautechnik für Leistungshalbleiter ersetzt althergebrachte Bonddrähte durch eine Folie und Sinterverbindungen! Der Nutzen: beispielweise doppelte Stromdichte und zehnfach höhere Lastwechselfähigkeit.

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SEMIKRON International GmbH

Dem Branchen-Primus Semikron ist eine fundamentale Verbesserung der Aufbau- und Verbindungstechik für Leistungshalbleiter gelungen, die ohne Bonddraht auskommt und auch Lot und Wärmeleitpaste.

Die als SKiN-Technologie bezeichnete Methode ersetzt traditionelle Bonddrähte durch eine flexible Folie und althergebrachte Lötverbindungen sowie Wärmeleitpaste durch bewährte Sinterverbindungen. Diese Technologie, erstmals vorgestellt auf der Leitmesse für Leistungselektronik mit Kongress, PCIM 2011, ermöglicht eine Verdoppelung der Stromdichte auf 3 A/cm2 im Vergleich zur Standard-Verbindungstechnik mit Bonddrähten mit 1,5 A/cm2.

Im Vergleich zum üblichen Aufbau schrumpft das Volumen eines Umrichters bei Nutzung von Leistungshalbleitern auf Basis der SkiN-Technologie um 35%. Besonders für Umrichter in Fahrzeugen und Windkraftanlagen bringt diese Weiterentwicklung in der Verbindungs- und Aufbautechnik bei Leistungshalbleitern einen großen Nutzen.

Eine höhere Stromtragfähigkeit und eine zehnmal höhere Lastwechselfestigkeit, die bei bisherigen Aufbauten mit limitierenden Bonddrähten nicht erreichbar war, ist damit möglich.

Die Innovation im Detail

Seit 25 Jahren war der Bonddraht die grundlegende Methode, um eine Verbindung zwischen einer Chipoberseite und einem DCB-Trägermaterial herzustellen. In Folge des technologischen Fortschritts limitieren Bonddrähte bei immer höheren Stromdichten die Zuverlässigkeit. Eine gesinterte Folie ersetzt nun die Bonddrähte auf dem Chip, wobei die Chipunterseite ebenfalls auf das DCB gesintert ist.

Alle Chips können somit thermisch und elektrisch optimal integriert werden, da eine Sinterschicht einen geringeren thermischen Widerstand hat als eine Lötschicht. Die gesinterte Folie bindet den Chip vollflächig an, die Bonddrähte nur an den Kontaktstellen. Diese neue Verbindungstechnologie ermöglicht durch die hohe Lastwechselfähigkeit höhere Betriebstemperaturen, die sich bei neuen Materialien wie SiC und GaN ohne Kompromisse optimal ausnutzen lassen.

Die neue Verbindungstechnik ist nicht nur bonddrahtfrei, sondern lot- und wärmeleitpastenfrei. Eine Sinterschicht ersetzt die Wärmeleitpaste und die gelötete Grundplatte. Die Wärmeleitpaste ist für ca. 30% des thermischen Widerstandes eines Gesamtsystems verantwortlich. Durch deren Ersatz wird die thermische Leitfähigkeit zwischen Chip und Kühlmedium verbessert. Das Ergebnis ist ein um 30% höherer nutzbarer Strom des Umrichters.

Beispielsweise wird es durch die SkiN-Technologie erstmals möglich, einen 3-MW-Windumrichter in einem einzigen Schaltschrank unterzubringen. Ein Umrichter mit 90 kW Leistung für Elektro- und Hybridfahrzeuge wird um 35% kleiner als der kleinste im Markt erhältliche Umrichter. Für Umrichter in Fahrzeugen und Windkraftanlagen werden wassergekühlte Systeme eingesetzt; durch die platzsparenden und gewichtsreduzierenden Umrichter hat der Anwender, konstatiert Semikron, einen wesentlichen Wettbewerbsvorteil.

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