Skalierbare Power-Module für unterschiedliche Stromklassen

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Bei gleichem Nennstrom 60% kleinere Chipfläche

Neben der Auswahl der Modulplattform spielt die Überwachung im Betrieb eine wichtige Rolle. Weil alle Module vor allem thermisch optimiert eingesetzt werden, ist es notwendig, die Temperatur permanent zu überwachen. Alle Module besitzen dazu einen integrierten Temperatursensor. Neben der Temperatur des Einzelmoduls sind auch thermische Nebeneffekte zu berücksichtigen. Dazu gehören thermisches Übersprechen, Grenzflächeneffekte und Störungen bei der Temperaturausbreitung. Thermische Modellierungen helfen, solche Designrisiken im Vorfeld zu erkennen.

Fortschritte in der Halbleitertechnologie ermöglichen IGBTs mit immer feineren Strukturen und schnellerem Schaltverhalten. Durch die Reduktion der Chipdicken konnten in den vergangenen Jahren bei gleichen Nennströmen die Chipflächen um mehr als 60% reduziert werden. Die Dünnwafer-Technologie hat mit der heutigen Aufbau- und Verbindungstechnik im Modul die Grenzen erreicht. Das ist daran ersichtlich, dass bei den 70 µm dicken 600-V-IGBT3-Chips die maximale Kurzschlusszeit von 10 auf 6 µs reduziert wurde. Die hohe im Kurzschlussfall anfallende Wärme kann nicht mehr in dem dünnen Chip allein gespeichert werden, und die thermischen Eigenschaften des Modulaufbaus gestatten es nicht, die entstehende Wärme schnell genug abzuführen. Die Verkleinerung der Chipflächen ermöglichten es, die Packungsdichte zu erhöhen; die Strom-Ratings pro Modulfläche werden immer höher (mit 8 bis 10 W/cm² sind die Grenzen auf Luftkühler erreicht).

Eine weitere Konzentration der Wärmedichten führt zu einem höheren Aufwand für die Kühlung und macht damit die Kosteneinspareffekte zunichte. Die Kosten der Leistungselektronik können nur auf zwei Wegen verringert werden: höhere Betriebstemperaturen und verbesserter Chipkühlung. Um immer mehr Strom aus der Siliziumfläche zu bekommen, werden die maximalen Sperrschichttemperaturen von IGBTs und Freilaufdioden erhöht. Die Anwendungsforderung nach einer Kurzschlusssicherheit setzt eine physikalische Grenze, weil mit steigenden Temperaturen die Sperrströme exponentiell ansteigen.

Langlebig durch moderne Aufbau-und Verbindungstechnologie

Eine Erhöhung der Betriebstemperatur des IGBTs um 25 K ermöglicht je nach Schaltfrequenz einen bis zu 15% höheren Effektivstrom. Andererseits führt eine Erhöhung der Betriebstemperaturen zu beschleunigten Alterungseffekten und damit verringerten Lebensdauern. Das muss mittels Verbesserungen in der Aufbau- und Verbindungstechnologie kompensiert werden. Die Lotverbindungen zwischen Bodenplatte und Keramik bzw. zwischen Chip und Keramik stellen bei erhöhten Betriebstemperaturen die schwächste Stelle im Modul dar. Durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der eingesetzten Materialen kommt es unter dem Einfluss hoher Temperaturschwankungen und exzessiver Lastzyklen zu Ermüdungen, so genannte Microcracks der Lötungen.

Am Lebensdauer-Ende der Module führt das zu erhöhten thermischen Widerständen und damit zu höheren Temperaturen, die zur Zerstörung der Bondverbindung führen. Lösungsmöglichkeiten sind das Weglassen der Bodenplatte bei gleichzeitigem Einsatz eines Drucksystems und wärmespreizenden Layoutmaßnahmen. Da das Keramiksubstrat relativ flexibel ist und der Druck durch eine Vielzahl mechanischer „Finger“ aufgebaut wird, ist ein sehr enger Kontakt zwischen Kühlkörper und DCB gewährleistet.

Deshalb kann die Wärmeleitpaste, die für bis zu 70% der thermischen Widerstände eines Modulaufbaus verantwortlich ist, auf ein Minimum von 20 bis 30 µm Dicke reduziert werden. Bodenplattenmodule benötigen eine drei mal dickere Schicht der Wärmeleitpaste, um die thermischen Verwerfungen zwischen Bodenplatte und Kühlkörper auszugleichen. Mit einem bodenplattenlosen Drucksystem steigt die thermische Performance um bis zu 25% im Vergleich zu einem Bodenplattensystem.

Die neueste technologische Neuerung ist der Ersatz der Chiplötung durch eine Sinterschicht. Die um Faktoren höhere Schmelztemperatur verringert die Alterung durch Temperatur- und Lastwechsel. Die Lastwechselfestigkeit kann damit bis zum Faktor 5 gesteigert werden. Damit sind keine Kompromisse mehr bei der Dimensionierung der Leistungsmodule im Umrichter notwendig. Der aus Zuverlässigkeitsaspekten schwächste Punkt im Modul ist jetzt die Ultraschall-Bondverbindung auf der Chipoberseite und der Keramik. Alle Modulhersteller entwickeln neue Kontaktierungsverfahren auf der Chipoberseite, um eine zuverlässige Verbindung herzustellen.

Das zuvor beschriebene Plattformkonzept ermöglicht es Herstellern, gleiche Aufbausysteme für Umrichter verschiedener Leistungsklassen einzusetzen. Das sind beispielsweise Universal- und Servo-Umrichter mit anderen Überlastauslegungen und Präzisionsanforderungen. Die IGBT-Modulbaureihen MiniSKiiP für die Leistungsklasse von 1 bis 37 kW und SEMiX von 15 bis 200 kW bieten skalierbare Anschlusstechnik und Außenabmessungen für komplette Umrichterfamilien. Die Weiterentwicklungen in der Aufbau- und Verbindungstechnik der Module ebnet den Weg für höhere Betriebstemperaturen; beispielsweise sind am Kühlkörper über 100 °C und damit kosteneffiziente und kleinere Aufbauten möglich. //KU

* * Thomas Grasshoff ... ist Leiter Produktmanagement bei Semikron International, Nürnberg.

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