gesponsertHohe Leistungsdichte bei begrenztem Bauraum Optimiertes Modul- und Packaging-Konzept

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Infineon Technologies AG

Hohe Leistungsdichten, Schaltfrequenzen und WBG-Halbleiter bringen Modularchitekturen an ihre Grenzen. Neue Gehäuse- und Integrationskonzepte sollen genau diese Zielkonflikte auflösen.

Die Anforderungen an die Leistungselektronik steigen derzeit schneller als je zuvor. Anwendungen wie On-Board-Ladegeräte in Elektrofahrzeugen oder Stromversorgungen für KI-Rechenzentren verlangen nicht nur nach immer höheren Leistungsdichten und Wirkungsgraden, sondern auch nach wirtschaftlich umsetzbaren Lösungen. Während die Ausgangsleistungen der Systeme kontinuierlich erhöht werden, bleiben Gehäuseabmessungen in vielen Fällen jedoch unverändert, weshalb der verfügbare Entwicklungsspielraum zunehmend eingeschränkt wird. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an Zuverlässigkeit, Lebensdauer und die thermische Anbindung der Leistungshalbleiter, da hohe Leistungsdichten eine effiziente Ableitung der Verlustwärme erfordern. Zudem steigt der Druck, die Systemkosten zu reduzieren. Alleine über niedrigere Materialkosten ist das nicht möglich – es braucht auch intelligente Fertigungsansätze, die von den Einzelkomponenten unterstützt werden. Die Leistungselektronik sieht sich damit mit einigen Zielkonflikten konfrontiert, die mit konventionellen Modul- und Gehäusekonzepten kaum noch gelöst werden können.

Systemintegration rückt in den Fokus

In vielen Branchen kommen zunehmend Wide-Bandgap-Halbleiter wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) zum Einsatz. Dadurch verschieben sich auch die technischen Herausforderungen. Die Bauelemente ermöglichen den Betrieb bei deutlich höheren Spannungen, Temperaturen und Schaltfrequenzen bei gleichzeitig geringeren Verlusten, doch rücken dadurch andere Aspekte stärker in den Fokus. Dazu zählen parasitäre Induktivitäten, die thermische Anbindung sowie die mechanische Integration der Leistungsmodule. Insbesondere bei hohen Leistungsdichten wird die effiziente Abfuhr von Verlustwärme zum kritischen Faktor. Gleichzeitig steigen die Anforderungen an eine niederinduktive Anbindung, um die Vorteile schneller Schaltvorgänge überhaupt nutzen zu können. Klassische Modularchitekturen, die für geringere Leistungsdichten ausgelegt wurden, stoßen unter diesen Bedingungen immer häufiger an ihre physikalischen und mechanischen Grenzen.

Bei der Entwicklung sind zahlreiche Anforderungen zu berücksichtigen: Neben einer möglichst hohen Packungsdichte sind flache Bauformen gefragt, um zusätzliche Freiheitsgrade im Systemdesign zu eröffnen. Zudem müssen parasitäre Effekte minimiert und eine zuverlässige thermische Anbindung ermöglicht werden, selbst bei Verlustleistungen von mehreren Hundert Watt pro Modul. Auch fertigungstechnische Aspekte dürfen nicht außer Acht gelassen werden. So müssen sich Leistungsmodule zuverlässig und skalierbar in automatisierte Montageprozesse integrieren lassen. Dabei spielen eine hohe Variantenvielfalt, enge Toleranzen und robuste mechanische Konzepte eine wichtige Rolle, aber auch die elektrischen Kennwerte. Ein Beispiel für ein solches Konzept ist das EasyPACK-S-Modul von Infineon (Bild 1), das für Anwendungen mit hoher Leistungsdichte entwickelt wurde.

Umsetzung und Designmerkmale

Mit einer Bauhöhe von 5,6 mm und einer Grundfläche von etwa 33 mm × 36 mm ist das Modul vergleichsweise kompakt (Bild 2). Dennoch können bis zu acht SiC-Chips pro Modul integriert werden, was leistungsfähige Designs auf begrenztem Raum ermöglicht (Bild 3). Die hohe Packungsdichte wird durch hochstromfähige Press-Fit-Pins erreicht, die Ströme von mindestens 50 A pro Pin führen können. Sie ermöglichen eine lötfreie elektrische Kontaktierung und vereinfachen den Fertigungsprozess.

Für das Thermomanagement ist das Modul mit einem Direct-Bonded-Copper-Substrat (DBC) ausgestattet, das eine thermische Anbindung der Halbleiter sowie eine gleichmäßigere Temperaturverteilung unterstützt. Je nach Anwendung stehen unterschiedliche Substratmaterialien zur Verfügung, sodass sich das Modul an verschiedene Anforderungen anpassen lässt.

Die Wärmeabfuhr wird durch eine geringe Substrat-Kavität unterstützt, die eine Wärmeleitpasten-Schichtdicke von unter 40 µm ermöglicht. Federnde Metallklammern sorgen über die gesamte Lebensdauer hinweg für eine konstante Anpresskraft zwischen Modul und Kühlkörper. Dadurch kann die Wärmeabfuhr stabil gehalten werden, was sich positiv auf den Betrieb bei erhöhten Temperaturen auswirken kann. Zusätzlich kommt die .XT-Verbindungstechnologie von Infineon zum Einsatz, die auf eine erhöhte Zuverlässigkeit der Kontaktierung abzielt.

Neben der thermischen Optimierung wurde auch das elektrische Layout des Moduls auf geringe parasitäre Induktivitäten ausgelegt. Verkürzte Leiterbahnen und optimierte Strompfade reduzieren die Schaltverluste (Eon und Eoff), insbesondere bei hohen Schaltfrequenzen, und können so zur Verbesserung der elektrischen und thermischen Effizienz beitragen. Verlustleistungen von bis zu 450 W pro Modul lassen sich abführen, wobei die tatsächlich erreichbare Leistung stark von der Auslegung des Kühlkörpers abhängt.

Das mechanische Design ist auf eine reproduzierbare und automatisierte Montage ausgelegt. Definierte Greifbereiche für Roboter, präzise Positionierlöcher und eng tolerierte Pin-Abstände erleichtern das Handling und die Platzierung auf der Leiterplatte. Das Pin-Layout unterstützt unterschiedliche Chipkonfigurationen und Topologien und erlaubt so die Anpassung an verschiedene Leistungsstufen.

Das mechanische Konzept ist zudem für automatisierte Verschraubungsprozesse mit selbstschneidenden Schrauben ausgelegt. Enge Gehäusetoleranzen und definierte Montagefeatures können die Prozesskomplexität reduzieren und eine reproduzierbare Fertigung auch bei größeren Stückzahlen unterstützen.

Vorteile für Entwicklung und Integration

Die Kombination aus kompakter Bauform, hoher Packungsdichte und flexibel konfigurierbarer Modulbestückung kann zusätzliche Freiheitsgrade bei der Systemintegration eröffnen. Zudem kann der Einsatz eines bereits freigegebenen Modulkonzepts mit qualifizierten Basiskomponenten – etwa Gehäusematerialien, DBC-Substraten, Bondtechnologien sowie Kontakt- und Anschlusselementen – den Übergang von der Entwicklung in die Serienproduktion erleichtern. Da das EasyPACK-S-Modul auf bestehenden Fertigungslinien mit vorhandener Ausrüstung sowie bereits freigegebenen und validierten Testkonzepten produziert werden kann, lassen sich auch kundenspezifische Varianten umsetzen. Für Hersteller kann dies die Entwicklungszeit verkürzen und den Übergang vom Prototypen- zum Serienstatus vereinfachen.

Aufgrund seiner Leistungsdichte und der Auslegung für industrielle Fertigungsprozesse kommt das EasyPACK S in verschiedenen Anwendungen der Leistungselektronik in Betracht. Dazu zählen beispielsweise On-Board-Charger für Elektrofahrzeuge, Stromversorgungen für KI-Server sowie industrielle Motorantriebe und E-Kompressoren. Auch Inverter für Heizungs-, Lüftungs- und Klimatechniksysteme, Wärmepumpen oder EV-Ladesysteme gehören zu den möglichen Einsatzfeldern. Darüber hinaus kann das Modul auch in Hochfrequenz-Leistungskonvertern eingesetzt werden, bei denen geringe parasitäre Induktivitäten und eine gute thermische Anbindung eine wichtige Rolle spielen. Die kompakte Modularchitektur ermöglicht dabei eine Integration leistungsfähiger Leistungselektronik auf begrenztem Bauraum.

Ausblick und zukünftige Entwicklungen

Das EasyPACK-S-Gehäuse wurde mit Blick auf zukünftige Entwicklungen konzipiert und ist sowohl für kommende SiC-Generationen als auch für GaN-Bauelemente ausgelegt. Die flexible und skalierbare Plattform (Bild 4) mit ihren geplanten Erweiterungen bietet Spielraum für steigende Leistungsdichten, höhere Verlustleistungen und kompaktere Bauformen. Gleichzeitig kann sie die Anpassung an unterschiedliche Fertigungskonzepte und automatisierte Produktionsprozesse unterstützen. Damit trägt das Gehäuse dazu bei, Leistungsdichte, Effizienz und Fertigbarkeit moderner Leistungselektroniksysteme miteinander zu verbinden. 

* Christoph Schäfer ist Product Marketing Manager bei Infineon Technologies AG, Koray Yilmaz ist Product Definition Engineer bei Infineon Technologies AG.

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