Leistungsmodule Gehäuse-Technologien für hohe Leistungsdichten im Auto

Die zunehmende Elektrifizierung von Fahrzeugfunktionen wie elektrische Servolenkung, Starter-Generator, Klimaanlage, Kühlwasserpumpe oder Antriebsumrichter sowie steigende Leistungen stellen die Entwickler der Leistungselektronik vor immer höhere Herausforderungen. Das Parallelschalten von Einzelhalbleitern bringt eine ganze Reihe von Problemen mit sich. Deshalb sind Leistungsmodule die bessere Alternative, wobei vor allem auch die Gehäusetechnologie eine immer wichtigere Rolle spielt.

Anbieter zum Thema

FAULHABER Antriebssysteme

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Fairchild Semiconductor

Leistungsumrichter und DC/DC-Wandler für hohe Leistungen sind zwar theoretisch mit parallel geschalteten Einzelbauteilen realisierbar. In der Praxis ist dies allerdings mit so hohen Herausforderungen verbunden, dass die Entwickler nach Alternativen suchen müssen. So ergibt sich bei einer Parallelschaltung von Einzelbauteilen eine relativ große Bauform. Ein viel größeres Problem sind aber die thermischen Abweichungen der einzelnen Bauteile aufgrund von Schwankungen im Fertigungsprozess. Insbesondere gibt es bei parallelgeschalteten Bauteilen starke Unterschiede bei den elektrischen Parametern und dem Wärmewiderstand. Bei Einzelbauelementen mit hoher Leistung gibt es noch weitere Einschränkungen, so etwa in der Die-Größe, die im Bauteil Platz finden muss. Die thermische Verlustleistung wird u.a. durch die Einbaumethode begrenzt: Klammern und Pads auf einem Kühlkörper oder Auflöten auf eine Leiterplatte über Vias mit Verbindung zu einer Wärmesenke.

Der Durchlasswidersteand wurde kontinuierlich reduziert

Bei Niederspannungsanwendungen wird das Handling des Stroms mittlerweile eher durch das Gehäuse eingeschränkt als durch das Halbleiterbauteil selbst. Dies ist ein neues Phänomen, das in der Vergangenheit nicht auftrat. Durch technologische Fortschritte konnte der Durchlasswiderstand immer weiter reduziert werden, so dass sich nun beim Handling des Stroms der begrenzende Faktor vom Chip zum Gehäuse verschoben hat. Die thermische Kopplung eines Thermistors, der zum Schutz dient, ist mittlerweile nur noch eingeschränkt möglich. Die Schaltung ist komplexer und weist höhere parasitäre Widerstände und Induktivitäten auf, was höhere EMI-Abstrahlungen zur Folge hat. Außerdem ist die Wirksamkeit von möglichen EMC-Filtern beschränkt, da sie physikalisch nicht optimal direkt über dem Schalter platziert werden können.

Leistungsmodule bieten eine ganze Reihe von Vorteilen

All diese Probleme lassen sich umgehen, wenn man die Anzahl der parallelgeschalteten Bauteile beschränkt oder stattdessen Leistungsmodule einsetzt. Leistungsmodule sind sehr flexibel, sodass sich viele der genannten Einschränkungen vermeiden oder reduzieren lassen. Die damit verbundenen Vorteile rechtfertigen auch den Preisunterschied. Die Forderung nach effizienteren Fahrzeugen auf Grund steigender Treibstoffpreise hat zu einer zunehmenden Nachfrage bei HEVs (Hybrid Electric Vehicle) und EVs (Electric Vehicle) geführt. Diese Anwendungen sind im Hinblick auf die Leistungselektronik deutlich anspruchsvoller, wobei sich im Hinblick auf Einzelbauteile viele gleichzeitige Einschränkungen und damit große Herausforderungen ergeben. Da konventionelle Technologien nicht ausreichen, bleiben Leistungsmodule als Lösung. Die große Bauform und die thermische Verlustleistung haben in den vergangenen Jahren bei den Gehäusetechnologien der Leistungsmodule zu großen Fortschritten geführt. Mit diesen modernen Technologien lassen sich aber die Herausforderungen im Hinblick auf die Zuverlässigkeit und Kosten bewältigen.

Die Fehlerdichte bei der Wafer-Fertigung muss reduziert werden

Da Leistungsmodule ungewöhnlich große Bauteilen enthalten, müssen bei den verwendeten Materialien, aber auch den neuen Legierungen und neuen Lötprozessen, geringere Unterschiede hinsichtlich der Wärmeausdehnungskoeffizienten sichergestellt werden. Nur so lässt sich eine überlegene Zuverlässigkeit gewährleisten. Bei großen Bauteilen ist die Gefahr, dass sie einen Fehler enthalten höher, was eine geringere Fertigungsausbeute und somit einen höheren Stückpreis zur Folge hat. Bei den Wafer-Herstellungsverfahren muss daher weiter an der Verbesserung der Fehlerdichte gearbeitet werden. Bei 10 Fehlern pro Wafer und 10.000 Bauteilen pro Wafer liegt der Verlust der Fertigungsausbeute zum Beispiel bei 0,1%. Wenn der Wafer aber nur 100 große Bauteile enthält, liegt der Verlust der Fertigungsausbeute bereits bei 10%. Somit ist eine Verbesserung der durchschnittlichen Anzahl von Fehlern pro Wafer dringend erforderlich.

Gehäuse mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit werden sich durchsetzen

Gerade bei derart großen Bauteilen muss unbedingt versucht werden, die Größe und Kosten zu beschränken. Dies rechtfertigt damit auch Investitionen für eine Verbesserung des thermischen und elektrischen Designs der Leistungsmodule. Die maximale Temperatur, die das Halbleiterbauteil im schlechtesten Fall erreichen darf, definiert seine Größe. Damit werden sich Gehäuse-Designs mit besserer Wärmeleitung, die kurzzeitige Temperaturspitzen reduzieren können, zunehmend durchsetzen. Beispielsweise kommen immer häufiger doppelseitige Kühlung und Interconnections zum Einsatz, die sowohl eine elektrische Verbindung, als auch eine Abführung der thermischen Verlustleistung ermöglichen.

Mit der Anzahl von Hybrid-Fahrzeugen sinken die Kosten

Diese Suche nach neuen Lösungen wird noch einige Zeit andauern und zu neuen Materialien, verbesserten Substraten (wie AlN, SiN, Dickfilm-Substrate mit größerer Leiterdicke durch den Einsatz der Nanotechnologie) und Löttechnologien führen, mit denen sich die Größe und die thermische Verlustleistung weiter reduzieren sowie die Zuverlässigkeit erhöhen lassen. Da die Zahl der Hybridfahrzeuge weiter steigen wird, werden die Kosten für die neuen Materialien durch die Serienproduktion sinken, so dass sie für die heutigen Automobil-Anwendungen immer kostengünstiger werden.

*Sergio Fissore ist Mitarbeiter der Fairchild Semiconductor Corp.

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