Kundenspezifische SiC-Module vom Design-In-Distributor

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MEV Elektronik Service GmbH

Ein SiC-MOSFET hat bei gleichem R_DS(on) eine etwa 33fach, respektive 10fach kleinere Chip-Fläche als ein Si-MOSFET oder Si-SJFET. Mit der Chip-Fläche verringert sich auch die Gate-Ladung Qg und die gesamte Kapazität C, welche maßgeblich für die Verluste sind. Bild 1 zeigt die Entwicklung der Chip-Flächen in den vergangenen Jahren. Weil das Verhältnis Verlustleistung zu verfügbarer Modulfläche bei den Bauteilen stetig steigt, ist neben dem Wärmetransport weiterhin die Art der Kühlung (Luft, Flüssigkeit) wichtig. Auch hierzu sind jetzt verschiedene Packaging-Technologien und Chipträgersubstrate verfügbar. Seit 2013 arbeitet MEV mit der Firma POWERSEM GmbH zusammen, einem deutschen Hersteller und Innovator von kundenspezifischen SiC-Modulen.

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Beim Eco-227 ist POWERSEM auf die Bedürfnisse der Kunden eingegangen, ohne die stark verbesserten Eigenschaften der SiC-Chips aus den Augen zu verlieren. Durch die gleichen Gehäuse- und Montageabmessungen wie beim SOT-227 hat der Kunde eine optimale Adaptierbarkeit, ohne seine Produktion umstellen zu müssen. Dem Chip wird man gerecht, indem das Eco-227 ohne zusätzliche Bodenplatte aufgebaut wird. Weitere Beispiele sind das SiC-Eco 1, SiC-Eco 2 und SiC-Eco 3 mit 6 mm, 9 mm oder 17 mm Modul-Bauhöhe. Die SiC-Eco-Familie gibt es sowohl als lötbare Variante als auch als Einpress-Variante (Eco-Press-Fit). Ganz neu ist auch das Eco-SMPD-Gehäuse (Bild 2), welches sich gegenüber herkömmlichen TO-247- oder TO-264-Gehäusen durch niedrige parasitäre Kapazitäten, niedrigen thermischen Widerstand sowie eine hohe elektrische Isolation auszeichnet.

Weiterhin verfügt die Firma POWERSEM über die Möglichkeit, die „Chip-on-Heatsink“-Technologie in deren Modulkonzepten einzusetzen. Chip-on-Heatsink ist eine Innovation der Firma CeramTec GmbH. Als Hersteller von Hochleistungskeramiken ist CeramTec ein wichtiger Lieferant für die Leistungselektronik.

Bei Chip-on-Heatsink wird auf eine keramische Bodenplatte eine Kupferschicht aufgebracht und eingesintert. Das Verfahren ist z.B. von der Dickschichttechnologie bekannt. Die Keramik ersetzt somit die bisherigen Bodenplatten aus Kupfer oder AlSiC und sorgt für die elektrische Isolation. Durch die Verwendung von Kupfer ergibt sich eine sehr gute elektrische und thermische Leitfähigkeit. Auf diese Kupferlage wird der Chip direkt aufgelötet.

Durch dieses Verfahren entfällt eine Vielzahl von thermischen Widerständen. Die Kupferschicht kann je nach Anforderungen an die Stromtragfähigkeit und die Wärmespreizung bis zu 400 µm dick sein. Durch die innige Verbindung von Kupfer und Keramik ergibt sich je nach Layout eine leicht konvexe Bodenplatte, was der wärmeschlüssigen Montage auf einem Kühlkörper sehr entgegen kommt. Chip-on-Heatsink bietet ideale Voraussetzungen zur Reduzierung des thermischen Widerstandes, um SiC-Chips effizient zu entwärmen. Dies und die gegenüber den bisherigen Standard-Technologien etwa 10fach höhere thermische Zyklierfähigkeit führen zu deutlichen Verbesserungen in der Leistungselektronik.

Die Bodenplatte kann dabei nicht nur als ebene Platte ausgeführt sein, sondern auch in Form eines Kühlkörpers mit integrierten Finnen für Konvektionskühlung. Da die Bodenplatte und die Finnen aus einem Teil bestehen, entfällt die sonst übliche Wärmeleitpaste oder die Lötung. Sollen noch höhere Verlustleistungen abgeführt werden, so erlaubt die Verwendung von Keramik den Bau hocheffizienter Flüssigkeitskühler. Auch hier ist die Kupferschicht direkt aufgebracht und bildet die Leiterbahnen, auf welche die Dies direkt und ohne weiteres Interface aufgelötet oder aufgesintert werden.

Übersicht und physikalische Eigenschaften von Substraten

Die drei meist verwendeten Substrate sind heutzutage Al₂O₃, AIN und Si₃N₄. Neben den Kosten sind auch die verschiedenen physikalischen Eigenschaften wie thermische Leitfähigkeit, Wärmekapazität, Wärmespreizung und der Wärmeausdehnungskoeffizient zu betrachten. Tabelle 1 zeigt eine Übersicht der physikalischen Eigenschaften und eine generelle Kostenübersicht für Al₂O₃, AIN und Si₃N₄. Bei der thermischen Leitfähigkeit bedeutet ein größerer Wert eine größere Wärmeübertragung pro Zeiteinheit. Die Spannungsfestigkeit gibt an, welche maximale Feldstärke ein isolierendes Material unter bestimmtem Bedingungen aushält, ohne seine isolierenden Eigenschaften zu verlieren. Der Wärmeausdehnungskoeffizient beschreibt die relative Längenänderung bei einer Veränderung der Temperatur.

Während die Kostenbewertung im Allgemeinen eindeutig für Al₂O₃ spricht, haben AlN und Si₃N₄ klare technische Vorteile gegenüber Al₂O₃. Die bessere thermische Leitfähigkeit von AlN gegenüber Si₃N₄ kann relativiert werden, da bei Si₃N₄ nur halb so dicke Substratschichten verwendet werden können. Ein weiter großer Vorteil von Si₃N₄ ist die größere thermische Wechsellastbeständigkeit. Die thermische Wechsellastbeständigkeit ist sehr stark abhängig von der eingesetzten Technologie.

Beim Direct Copper Bonded (DCB) oder Direct Bond Copper (DBC) wird auf einem Isolator (Keramik) in einem Hochtemperaturprozess Kupfer aufgebracht, welches dann sehr fest mit der Keramik verbunden ist (Bild 3). Die Schichtdicke des Kupfers beträgt dabei in der Regel 200 oder 300 µm, was die Möglichkeit für feine Strukturen ausschließt. Ähnlich verhält es sich mit AMB. Hier wird eine Kupferfolie vollflächig mittels eines Hochtemperatur-Lötprozesses fest mit einer Keramikplatte verbunden. Im Anschluss werden bei beiden Verfahren die Isolationsgräben herausgeätzt.

Bei SCT wird die Kupferschicht bis zu 400 µm auf einer keramischen Platte aufgebracht (Bild 3). Und zwar nur dort, wo es gewünscht ist. Durch die verwendeten Verfahren lassen sich nahezu beliebige Dicken herstellen. Es sind zudem auf einem Substrat Bereiche mit dünnen und sehr feinen Strukturen (100 µm Pitch) und Bereiche mit dickem Kupfer mit hoher Stromtragfähigkeit möglich. SCT stellt so eine Erweiterung der Dickschichttechnologie hin zu wesentlich höheren Strömen und Leistungen dar.

* Christopher Rocneanu ist Field Application Engineer bei MEV Elektronik.

* Roland Dilsch ist Applikationsingenieur bei CeramTec.

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