Power-Module Hochleistungs-IGBT-Modultechnologie für Automotive-Anwendungen

Die Märkte für elektrisch angetriebene Fahrzeuge stellen harte und vielschichtige Anforderungen an Power-Module: hohe Leistungsdichte, hohe Zuverlässigkeit sowie mechanische, thermische und elektrische Robustheit. Über Produktanforderungen und Technologieherausforderungen geht es in diesem Beitrag.

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EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Würth Elektronik eiSos GmbH & Co. KG

Shanghai Yongming Electronic Co., Ltd.

SEMIKRON International GmbH

Am Gesamtmarkt der Power-Module haben die für den Automotive-Bereich derzeit einen Anteil von 4%. Mit einem jährlichen Wachstum von 19% zeigt er jedoch langfristig steil nach oben. Automotive-Hochleistungsanwendungen haben ihre ganz eigenen Anforderungen, die die Weiterentwicklung der Power-Module stark beeinflussen. Hohe Umgebungstemperaturen sowie die hohe Anzahl thermischer Zyklen stellen besondere Herausforderungen an die Technologie.

Mechanische Spannungen in den Materialien

Getrennte Pfade für Strom- und Wärmefluss sind charakteristisch für Power-Module. Unterschiedlichste Materialien (Isolatoren, Kontaktierungen und natürlich Halbleiter) müssen miteinander verbunden werden. Aufgrund der verschiedenen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal Expansion, CTE) entstehen durch die Erwärmung bei Temperatur- und Leistungszyklen mechanische Spannungen zwischen den verbundenen Materialien. Temperaturänderungen führen zu Änderungen der mechanischen Spannung an Materialübergängen und damit zu einer Ermüdung der Materialverbindungen, die die Lebensdauer des Systems begrenzen.

Für das Power-Modul muss daher eine Aufbautechnologie zum Einsatz kommen, die den thermischen und mechanischen Stressanforderungen der Anwendung gewachsen ist.

Besonders kritisch: Grundplatte und DCB-Substrat

Besonders kritisch ist der Unterschied im CTE-Faktor zwischen dem Kupfer der Grundplatte (base plate) und dem DCB-Substrat. Insbesondere die große Fläche der Lötverbindung zwischen beiden Materialien führt zu hohen mechanischen Spannungen. Diese Verbindung wird besonders stark durch die passiven thermischen Zyklen wie beispielsweise einer Erwärmung des Motorraumes beansprucht.

Als alternative Aufbaustruktur für Power-Module steht die SKiiP-(SEMIKRON-integrated-intelligent-Power-)Technologie zur Verfügung, bei der auf eine Grundplatte vollständig verzichtet wird.

Dadurch entfällt die großflächige Lötverbindung; sie wird durch einen Druckkontakt ersetzt: Die Verbindung zwischen dem DCB-Substrat und dem Kühlkörper ist nicht starr angelegt, sodass sich das Substrat auf dem Kühlkörper „bewegen“ kann und Wärmespannungen somit ausgeglichen werden.

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