Leistungshalbleiter Zukunfsfähige Lösungen basieren auf neuen Materialien und Verbindungstechniken

Entscheidende Trends bei Leistungshalbleitern sind verbesserte Kühlung, bedingt durch eine Erhöhung der Stromdichten und eine Integration der Ansteuerelektronik. Höhere Betriebstemperaturen und verbesserte Kühlung lassen sich unter Beibehaltung der heutigen Zuverlässigkeit nur mit neuen Aufbau- und Verbindungskonzepten lösen.

Anbieter zum Thema

EBV Elektronik GmbH & Co. KG

Precoplat Präzisions-Leiterplatten-Technik GmbH

CTX Thermal Solutions GmbH

SEMIKRON International GmbH

Neben dem Ersetzen verschleißanfälliger mechanischer Getriebe ist vor allem die Energieeinsparung durch geregelte elektrische Ansteuerung ein Hauptgrund für den aktuellen Siegeszug der Leistungselektronik. Laut IMS Studie 2004 hat der Leistungshalbleitermarkt in 2006 ein Volumen von 12,5 Mrd. $. Davon entfallen etwa 15% auf Module mit IGBTs, MOSFET und Dioden/Thyristoren. Die Hauptmärkte sind elektrische Antriebe und Stromversorgung/USV. Aufstrebende Märkte mit überdurchschnittlichen Wachstumsraten sind die Bereiche Auto und regenerative Energien, die heute nur 2 bis 3% des Gesamtmarktes darstellen.

Durch die Vielzahl von Anwendungen der Leistungshalbleiter haben sich in den letzten Jahrzehnten verschiedene Aufbau- und Montagekonzepte im Markt etabliert. Eine Einteilung der Konzepte nach der Technologie der Kontaktierung der Halbleiterchips zeigt Bild 1. Bei integrierten Leistungshalbleitermodulen dominieren heute die gelöteten und gebondeten Module, weil sie neben der geforderten Zuverlässigkeit ein hohes Maß an Flexibilität hinsichtlich Aufbauvarianten und Schaltungstopologien bieten. Bei nahezu allen Modulvarianten ist die Isolation der Leistungshalbleiter zum Kühlkörper mit einem DCB (Direct Bonded Copper) oder AMB (Active Metal Brasing) Keramiksubstrat realisiert.

Am weitesten verbreitet ist die Al2O3-Keramik, die jedoch in den letzten Jahren bei vielen Anwendungen von 0,63 auf 0,38 mm Dicke reduziert wurde, um den Wärmewiderstand (Rth) vom Chip zum Kühlkörper zu reduzieren. Mit dieser Maßnahme war es den Modulherstellern zum Teil auch möglich eine Erhöhung des Wärmewiderstandes bedingt durch die Flächenreduzierung bei neuen Chipgenerationen auszugleichen. Bild 2 zeigt die Korrelation des Wärmewiderstandes in Abhängigkeit der Chipfläche und Keramikdicke für Al2O3. Die AlN-Keramik ermöglicht eine weitere Reduktion des Rth von ca. 25%.

Alternative neue Materialien sind Zirkon-dotiertes Al2O3 sowie Si3N4-Keramiken die mit einer Dicke von lediglich 0,32 mm und dickeren Kupferschichten bis zu 0,6 mm einen weiter reduzierten Rth und eine bessere Wärmespreizung aufweisen.

Aufbau mit und ohne Bodenplatte

Ein grundsätzliches Unterscheidungsmerkmal von Modulen ist der Aufbau mit und ohne Bodenplatte (Bild 3). Die Bodenplatte, beispielsweise aus 3 mm dickem Kupfer bestehend, erhöht die Wärmekapazität und die Wärmespreizung unter den Chips und vermindert so den transienten Wärmewiderstand im Zeitbereich von etwa 0,1 bis 1 s um einige Prozent gegenüber einem Modul mit der Isolierkeramik als Außenschicht. Allerdings führt die großflächige Lötung zwischen der Isolierkeramik und der Bodenplatte zu einer deutlichen Reduzierung der Wechsellastbeständigkeit der Bauelemente. Ursache ist der beträchtliche Unterschied in den thermischen Ausdehnungskoeffizienten von Keramik und Grundplatte. Er führt zu Spannungen und schließlich zur Lotermüdung.

Alternativen zur Kupferbodenplatte sind Verbund-Materialien wie AlSiC oder CuMo die jedoch wegen ihrer geringeren Wärmeleitfähigkeit und den hohen Kosten lediglich in Traktionsbereich Anwendung finden. Auf Graphit basierende Verbundwerkstoffe könnten wegen Ihrer geringeren Kosten in der Zukunft als neue Bodenplattenmaterialien an Bedeutung gewinnen. Die geringere Wärmespreizung bei Modulen ohne Bodenplatte kann in der realen Anwendung jedoch durch die Verwendung einer dünneren Wärmeleitpastenschicht kompensiert werden, da Module ohne Bodenplatte einen geringeren Luftspalt zum Kühlkörper aufweisen.

Aktuelle Trends bei Chips und in der Montagetechnik

Im Bereich der Leistungselektronik steigen ständig die Anforderungen bezüglich Kompaktheit und Kosten. Dies bedingt eine Erhöhung der Leistungsdichte, da die Module bei gleicher Leistungsfähigkeit immer kleiner werden. Die erhöhte Leistungsdichte wurde durch eine verbesserte Wärmeableitung, Halbleiter mit geringeren Verlusten sowie durch den Einsatz neuer Materialien erreicht. Ein weiterer bedeutender Trend ist der Einsatz von Federn zur Kontaktierung der Hilfs- und Lastanschlüsse der Module um die Elektronik noch einfacher und zuverlässiger an das Modul anzubinden.

Vorreiter dieser Technologie ist der MiniSKiiP von Semikron bei dem bereits 1996 alle Hilfs- und Lastanschlüsse zu der Umrichter-PCB durch Federkontakte realisiert wurden. Diese Entwicklung hat in den letzten Jahren auch bei Leistungsmodulen höherer Leistung für die Anbindung der Hilfskontakte verschiedener Hersteller Einzug gehalten.

Intelligente Leistungsmodule enthalten Ansteuerelektronik und Sensorik

Neben veränderten Aufbaukonzepten ergibt sich auch die Möglichkeit der höheren Integration von Leistungshalbleitern. Als intelligente Leistungsmodule (IPMs) bezeichnet man Module, bei denen die Ansteuerelektronik, Sensorik oder Teile davon im Modul integriert sind. Die Aufbautechnik basiert bei kleineren Leistungen auf Kupferrahmen für Lötmontage, auf die Chips und Ansteuerelektronik gelötet sind. Anschließend erfolgt eine mechanische Fixierung durch ein Umspritzen mit Epoxy. Eine Wärmeableitung erfolgt über spezielle Isolationsschichten, Epoxy-Materialien oder einem Keramikträger.

IPMs kleiner und mittlerer Leistung bis 300 A sind vor allem in Asien verbreitet und werden in den nächsten Jahren auch zunehmend in Europa und Amerika eingesetzt werden. Bei größeren Leistungen erfolgt der Aufbau in zwei Ebenen konventionell mit DCB und Löttechnik. Als größter Vertreter von IPMs ist der SKiiP von SEMIKRON seit 15 Jahren auf dem Markt.

Die Verbesserungen in der Halbleitertechnologie führten zu Bauelementen mit feineren Strukturen und höheren Schaltgeschwindigkeiten. Mit der Einführung der dritten IGBT-Chip-Generation war es möglich die Stromdichte um 50% zu erhöhen. In Bild 5 ist der Fortschritt in der Stromdichte von 1200-V-IGBT-Chips in den letzten Jahren dargestellt. Diese Steigerung der Stromdichte wurde auch durch eine starke Verringerung der Chipdicke erreicht, die von den Chipherstellern konsequent auch für nächste Generationen vorangetrieben wird.

Dass die Dünnwafertechnologie in der bestehenden Aufbau und Verbindungstechnik ihre Grenzen hat, zeigt sich darin, dass die zulässige Kurzschlussdauer bei den neuesten 600-V-Trench-IGBTs, die nur noch eine Chipdicke von 70 µm haben, von 10 auf 6 µs begrenzt werden musste. Die auftretenden enormen Kurzschlussenergien können von dem dünnen Silizium nicht mehr gespeichert werden und die thermische Impedanz des Aufbaus verhindert ein schnelles Abführen der Hitze.

Niedertemperatur-Sinter-Technologie könnte Stromdichte weiter steigern

Die Niedertemperatur-Sinter-Technologie zur Anbindung der Halbleiter an das DCB-Substrat könnte hier durch ihre niedrigere thermische Impedanz zur weiteren Steigerung der Stromdichte beitragen. Höhere Stromdichten und kompaktere Aufbauten führen zwangsläufig auch zu höheren Kühlkörper- und Chiptemperaturen. Höhere Betriebstemperaturen werden aber auch für neue Anwendungen im Automobilbereich benötigt. Gefordert wird auch die Möglichkeit, die Halbleitermodule mit demselben Flüssigkeitskreislauf zu kühlen wie den Motor. Das bedeutet Kühlmittel- Temperaturen von 105°C und darüber.

Forderungen nach höheren Kühlkörper-Temperaturen stehen aber im direkten Konflikt mit einer weiteren Volumenreduktion. Bild 6 zeigt wie sich die maximal zulässigen Kollektorströme mit steigender Kühlkörpertemperatur reduzieren.

Fortschritte in der Halbleitertechnologie machen diesen Schritt möglich. Bereits im Jahr 2005 wurde die maximale zulässige Chiptemperatur von 600-V-IGBTs und Freilaufdioden um 25°C auf 175°C angehoben und der Trend geht in Richtung 200 °C. Allerdings bedingen höhere Einsatztemperaturen und Stromdichten eine Verschlechterung der Zuverlässigkeit, vor allem der Lastwechselfestigkeit. Verbesserungen in der Montagetechnologie sind hier zwingend notwendig.

*Peter Beckedahl ist Leiter R&D und Thomas Graßhoff Leiter Produktmanagement bei SEMIKRON, Nürnberg.

(ID:182569)