Neues Keramiksubstrat verzehnfacht Lebensdauer von Leistungsmodulen

Leistungselektronik Neues Keramiksubstrat verzehnfacht Lebensdauer von Leistungsmodulen

16.05.2012Redakteur: Franz Graser

Auf der diesjährigen PCIM hat die curamik electronics GmbH aus Eschenbach ein Keramiksubstrat vorgestellt, das mit Siliziumnitrid (Si₃N₄) hergestellt wird. Die Ausfallerscheinungen verlangsamen sich damit um ein Vielfaches.

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Die curamik electronics GmbH fertigt Keramiksubstrate nun auch mit Siliziumnitrid mittels DCB-und AMB-Verfahren nach individuellen Kundenwünschen.
(Bild: curamic electronics GmbH)

Keramiksubstrate unterstützen unter anderem im Automotive-Bereich die Leistungselektronik im Antriebsstrang. Bisher begrenzte unter anderem eine geringe Biegebruchfestigkeit die Lebensdauer dieser Substrate. Daraus resultierte außerdem eine niedrige Beständigkeit gegenüber Temperaturwechseln.

Die Ursache dafür liegt in den stark unterschiedlichen Ausdehnungseigenschaften des keramischen Trägermaterials und des elektrischen Leiters, der in der Regel aus Kupfer besteht. Bei dem von curamik vorgestellten Keramiksubstrat auf Siliziumnitrid-Basis konnte durch Tests eine mehr als zehnfache Lebensdauer gegenüber bisher im Automotive-Bereich verwendeten Substraten wie etwa Al₂O₃ oder AlN nachgewiesen werden.

Bei den bisher durchgeführten passiven Sequenzen von -55 °C bis 150 °C zeigen die Substrate eine verlängerte Lebensdauer von mehr als dem Faktor 10 gegenüber heutigen Standard-Automotive-Substraten. Daraus lässt sich auch für die späteren Module eine höhere Lebensdauer ableiten.
(Bild: curamik electronics GmbH)

Bei den Tests wurde das Material zyklischen thermischen Schwankungen ausgesetzt. Es musste also wiederholt den Wechsel von kalter auf warmer Umgebungstemperatur und umgekehrt aushalten. Durch den ständigen Temperaturwechsel war das Substrat auch mechanischer Belastung ausgesetzt. In der Grafik sind die Versuchsreihen mit dem Siliziumnitrid-Material rechts im Bild zu sehen. Es ist klar zu sehen, dass dessen Zuverlässigkeit den von konventionellen Substraten wie AlN und Al₂O₃ deutlich übersteigt.

„Daraus lässt sich die höhere Lebensdauer auch für die späteren Module ableiten“, berichtet Manfred Götz, Product Marketing Manager bei curamik. Die höhere Lebensdauer ist überall dort notwendig, wo mit Halbleitern gearbeitet wird, die hohe Sperrschichttemperaturen aufweisen. Die von curamik verwendete Si₃N₄-Keramik liegt mit einer Wärmeleitfähigkeit von 90 W/mK über dem Marktdurchschnitt.

Das Keramiksubstrat mit Si3N4 unterstützt unter anderem in Elektromotoren die Leistungselektronik im Antriebsstrang.
(Bild: pixelio; Semen Grinberg)

Im Vergleich zu den Aluminiumverbindungen weist das Siliziumnitrid-Substrat zudem eine höhere Biegebruchfestigkeit auf. Laut dem Hersteller schlägt der Risswachstumswert des Si₃N₄ sogar den von zirkondotierten Keramiken: Er liegt bei 6,5 bis 7 MPa/√m bei einer thermischen Leitfähigkeit von 90 W/mK.

Dank der sehr guten mechanischen Werte kann die Keramik auch dünner aufgetragen werden, was einen zusätzlichen Vorteil in Bezug auf den Wärmewiderstand hat. Außerdem werden dadurch die Leistungsdichte erhöht und die Systemkosten gesenkt.

„Bei Si₃N₄ handelt es sich um eine neue Keramik für Direct Copper Bonding- und Active Metal Bonding-Verfahren mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher thermischer Leitfähigkeit, die die Zuverlässigkeit um ein Vielfaches erhöht“, resümiert curamik-Marketingmann Götz. Muster für Siliziumnitrid-Substrate sind ab sofort erhältlich.

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