IGBT-Module für Kfz-Elektronik Leistungshalbleiter ohne Lot und Grundplatte fünfmal zuverlässiger

Während viele Leistungshalbleiterhersteller mit der Verbesserung des Lötkontakts kämpfen, um die Ausfallsicherheit zu erhöhen, verzichtet das Power-Modul SKiM als weltweit erstes Produkt ganz auf Lötstellen. Speziell für den Einsatz in Elektro- und Hybridfahrzeugen wurden Druckkontakt-Module ohne Kupfergrundplatte entwickelt, die eine fünfmal höhere Temperaturlastwechselfestigkeit haben.

Anbieter zum Thema

OKW Odenwälder Kunststoffwerke Gehäusesysteme GmbH

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

SEMIKRON International GmbH

Kohlendioxidreduktion und Nachhaltigkeit sind Schlagwörter unsere Zeit. Um diesen und zukünftigen Herausforderungen gewachsen zu sein, müssen geregelte elektrische Antriebe immer weitere Felder erschließen. Vor allem der Automobilsektor stellt hier einen großen und anspruchsvollen Markt dar.

SKiM ist ein Leistungshalbleitermodul, das auf höchste Anforderungen an die Zuverlässigkeit bei gleichzeitig extremen Umgebungsbedingungen getrimmt ist. Der völlige Verzicht auf Lötungen sowie der konsequente Einsatz von Druck- und Federkontakten in Verbindung mit neuesten Industriekunststoffen machten diesen Fortschritt möglich.

Aufgrund der neuesten IGBT- und Dioden-Technologien wird eine hohe Leistungsdichte bzw. im Umkehrschluss ein sehr leistungsfähiges, kompaktes Modul erreicht.

Die Temperaturlastwechselfestigkeit ist um Faktor 5 gestiegen

Das Sixpack-IGBT-Modul SKiM leitet mit seinem Drucksystem die Ära der 100% lotfreien Module ein. Es wird auf die gebräuchliche Grundplatte verzichtet und somit auch auf die großflächige Lötung. Alle Chips sind gesintert und nicht mehr gelötet. Und Federn ersetzen die Lötpins. Durch ihren robusten, kompakten Aufbau sind diese Hochleistungsmodule ideal für Hauptantriebe von 22 bis 150 kW in Elektro- und Hybridfahrzeugen. Im Vergleich zu gelöteten Varianten weisen SKiM-Module eine fünffach höhere Temperaturlastwechselfestigkeit auf und sind damit wesentlich zuverlässiger.

Temperaturunterschiede können weit über 150 °C betragen

Die Anforderungen an die Temperaturwechselbelastungen in einem leistungselektronischen System, das in Elektrofahrzeugen oder Hybridantrieben eingesetzt wird, sind hoch: die Module müssen klein und leicht, gleichzeitig aber hohen Stoß- und Vibrationsanforderungen genügen. Während des Betriebs können die Umgebungstemperaturen auf über 125 °C ansteigen und bei Stillstand unter den Gefrierpunkt fallen. Das Kühlmittel kann sich kurzfristig so erhitzen, dass im Inneren des Moduls die Chiptemperaturen auf Tj > 150 °C ansteigen. Aus diesen Temperaturunterschieden resultieren extreme Temperaturwechselbelastungen, die die Lebensdauer eines Standardmoduls reduzieren.

Risse in der Lötverbindung sind die Hauptausfallursachen

Konventionelle IGBT-Modul-Lösungen erreichen ihre Grenzen bei diesen Einsatzbedingungen und zeigen Ermüdung von Lötkontakten. Die Ausbreitung von Rissen in den Lotschichten sind die Hauptausfallursachen bei extremen Temperaturwechselbelastungen.

Bei Modulen mit gelöteten Chips, Lötkontakten und Grundplatte ist die Änderung der thermisch induzierten mechanischen Spannungen Ursache für die Ermüdung. Sie entstehen durch unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, wenn die verbundenen Werkstoffe erwärmt und wieder abgekühlt werden. Je höher das DTm, also die Temperaturänderung, desto schneller schreitet der Ermüdungsprozess voran.

Besser ist es, die Chips zu sintern und nicht zu löten

Nicht so bei einem lötfreien Modul in Druckkontakttechnologie ohne großflächig gelötete Kupfergrundplatte. Denn dort sind die Chips eben über einen Sinter-Prozess mit der Keramik-DCB (DCB; Direct Copper Bonding) verbunden, um eine hohe Lastwechselfestigkeit sicherzustellen. Die Sinter-Verbindung erfolgt über eine dünne Silberschicht, die einen geringeren thermischen Widerstand besitzt als eine Verbindung mittels Lötzinn. Aufgrund des hohen Schmelzpunktes von Silber wird eine vorzeitige Materialermüdung vermieden. Dies führt zu einer Verlängerung der Lebensdauer der Komponenten.

Der Chip wird über ein mechanisches Drucksystem auf das Substrat und den Kühlkörper gedrückt. Das lötfreie Drucksystem und eine integrierte laminierte Stromschiene sorgen für eine gleichmäßige Stromverteilung. Jeder IGBT- und Diodenchip ist separat mit dem Hauptanschluss verbunden. Dadurch minimieren sich die internen Leistungswiderstände und Verluste. Der Modulwiderstand ist mit RCC’+EE’ ? 0,3 m? deutlich niedriger als in Modulen mit Lötkontakten, wo dieser etwa 1,1 mOhm beträgt.

Es treten keine mechanischen Spannungen mehr auf

Weil die DCB mit den Chips nicht fest mit dem Kühlkörper verbunden ist, kann es sich bei Temperaturänderungen ausdehnen und zusammenziehen, ohne dass es zu den gefürchteten mechanischen Spannungen kommt. Module auf der Basis dieses Konstruktionsprinzips zeigen folglich eine deutlich höhere Temperaturwechselfestigkeit als herkömmliche Grundplattenmodule.

Alternative Werkstoffe wie AlSiC (Aluminium Silizium Carbonat) mit einem kleineren Ausdehnungskoeffizienten als Kupfer, sind für den Automotive-Sektor wenig geeignet, weil AlSiC einen schlechten thermischen Leitwert hat und zudem teuer ist.

Modul und Treiberplatine sind ungelötet über Federkontakt verbunden, was einer hohen Temperaturwechselfestigkeit Rechnung trägt und eine schnelle lötfreie Montage der Treiberplatine ermöglicht.

Die entscheidende Innovation ist schon 15 Jahre alt

SEMIKRON hat schon vor über 15 Jahren einen anderen Weg eingeschlagen, indem eine Druckkontaktechnologie, die SKiiP-Technologie (SEMIKRON integrated intelligent Power) entwickelt wurde, bei der die Grundplatte entfällt. Für das SKiM-Automotive-Modulkonzept ist die SKiiP-Technologie konsequent weiterentwickelt worden, um langzeitzuverlässige und kompakte Highend-Module zu realisieren. Sie wurden speziell für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit hohen Anforderungen an die elektrische Leistungsdichte sowie an die Umgebungsbedingungen konzipiert.

SKiM ist ein Sixpack-Modul, das aus drei unabhängigen Halbbrücken in einem gemeinsamen Gehäuse besteht. Jede Halbbrücke ist mit einem eigenen NTC-Temperatursensor ausgestattet. Die DC- und AC-Hauptanschlüsse sind (wie heute üblich) 17 mm hoch und auf den gegenüberliegenden Seiten des Moduls angeordnet. Auf der Oberseite befinden sich die Steueranschlüsse. Die Treiberplatine wird lötfrei mittels Federkontakten angeschlossen. Ein schnelles Design-in ist durch die Standardhöhe der Anschlüsse von 17 mm und gleichen Konfigurationen garantiert. SKiM-Module gibt es in zwei Größen. Nämlich als SKiM 63 mit 120 mm x 160 mm und SKiM 93 mit 150 mm x 160 mm.

Keine Lötstelle, keine Fehlerquelle – Vorteil durch Federkontakt

Das weltweit erste vollständig lotfreie Modul SKiM für Automotive-Anwendungen bietet aufgrund dieser Tatsache eine fünffach höhere Temperaturlastwechselfestigkeit im Vergleich zu gelöteten Modulen und ist damit deutlich zuverlässiger. Durch das Druckkontaktsystem ist sogar die Grundplatte verzichtbar und somit gehören großflächige Lötungen der Vergangenheit an. Alle Chips sind gesintert und nicht länger gelötet. Federn ersetzen die Lötpins. Das kompakte Hochleistungsmodul SKiM wird beispielsweise in Hauptantriebe von Elektro- und Hybridfahrzeugen eingesetzt.

*Thomas Grasshoff ist Leiter Produktmanagement SEMIKRON International und Christian Daucher ist Produkt Manager SEMIKRON Elektronik. Beide arbeiten in Nürnberg.

(ID:219646)