SKiN Technology - Semikron
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Leistungsbauteile und Powermodule<br />
Einen Schritt voraus sein<br />
Aufbau- und Verbindungstechnik optimiert Leistungselektronik<br />
Applikationsbereiche, wie regenerative Energien oder Elektromobilität sowie Themen, wie Energieeinsparung,<br />
lassen sich ohne die entsprechende Leistungselektronik nicht bewerkstelligen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die<br />
Aufbau- und Verbindungstechnik. Hier gilt es technische Grenzen, beispielsweise Lötverbindungen oder Bodenplatte,<br />
zu überwinden. Welche Lösungen und Trends es gibt, zeigt <strong>Semikron</strong>. Autor: Thomas Grasshoff<br />
Die Leistungselektronik leistet einen zunehmenden Beitrag<br />
bei aktuellen Trendthemen, wie regenerative Energien,<br />
Elektromobilität und Energieeinsparung. Diese Anwendungsfelder<br />
ließen sich nur mit Hilfe von Innovationen<br />
erschließen, denn die Anforderungen der verschiedenen Märkte<br />
erfordern technologische Lösungen, die über den allgemeinen Industriestandard<br />
der 90er Jahre hinausgehen. <strong>Semikron</strong> versucht<br />
Trends frühzeitig aufzuspüren und stellt entsprechende Technologien<br />
zur Verfügung. Dafür werden kontinuierlich die Limits existierender<br />
Technologien durch neue Wege ersetzt. Wärmeleitpaste<br />
und Drahtbonds sind die verbliebenen Erb stücke des Industriemoduls<br />
und die werden nun für bestimmte Applikationen durch<br />
hochzuverlässige Sinterschichten und flexible Platinen ersetzt. Die<br />
weltweit in den Fokus gerückte Umweltpolitik und ein stärker an<br />
Umweltaspekten ausgerichtetes Konsumentenverhalten bei der<br />
Auswahl von Energiequellen hat den Einfluss der Leistungselektronik<br />
als Möglichkeit der Energieumwandlung und -steuerung<br />
wachsen lassen. Produkte und Anwendungen werden auf Wirkungsgrad,<br />
Zuverlässigkeit und Kompaktheit optimiert. Leistungselektronik<br />
ist eine Schlüsseltechnologie, um eine zukünftige Mobilität<br />
auf Basis der Hybridtechnik und der Elektrofahrzeuge zu ermöglichen<br />
sowie steigenden Emissionen und abnehmenden Ressourcen<br />
entgegenzutreten. Um den Anforderungen dieser Märkte<br />
gerecht zu werden und die Akzeptanz zu verbessern, sind Weiterentwicklungen<br />
der Leistungselektronik unumgänglich.<br />
Wichtige Themen: die Leistungsdichten erhöhen, das Bauvolumen<br />
reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern. Für Leistungselektronikhersteller<br />
ist es eine Herausforderung, diese diametralen<br />
Bilder: <strong>Semikron</strong><br />
Drahtbonds und Wärmeleitpaste<br />
ade: Moderne Methoden der<br />
Verbindungstechnik, wie das<br />
Silbersintern, verbessern die<br />
Leistungselektronik.<br />
12 elektronikJOURNAL 02/2011<br />
www.elektronikjournal.com
Leistungsbauteile und Powermodule<br />
Anforderungen zu realisieren. Zusätzlich werden immer höhere<br />
Leistungen gefordert – das heißt, Themen, wie Parallelschaltung<br />
und thermisches Management, erhalten zusätzliche Bedeutung.<br />
Die Leistungselektronik für die stark wachsenden Märkte erneuerbare<br />
Energien und Elektrofahrzeuge profitiert in zwei Bereichen:<br />
Erstens sind Leistungshalbleiter für die Energieumwandlung bei<br />
der Erzeugung notwendig, zum Beispiel für Umrichter in Windkrafträdern.<br />
Zweitens sind diese Bauelemente das Kernelement bei<br />
drehzahlgesteuerten Umrichtern und damit der effizienten Energie-Nutzbarmachung.<br />
Schlüsselfaktoren: hohe Zuverlässigkeit<br />
und niedrige Kosten<br />
In elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss die Leistungselektronik<br />
besonders platzsparend und gewichtsarm sein. Darüber hinaus<br />
muss sie auch zuverlässig in rauer Umgebung funktionieren. Um<br />
diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat <strong>Semikron</strong> den klassischen<br />
Technologieweg der Modulbasis verlassen und soweit wie<br />
möglich alle Funktionen des leistungselektronischen Systems mechanisch<br />
integriert. Bild 1 zeigt das aktuelle System für Flurförderfahrzeuge.<br />
Die Herausforderung in der Entwicklung liegt darin,<br />
widerstrebende elektrische, mechanische und thermische Ansprüche<br />
mit höchstmöglicher Zuverlässigkeit und zu vernünftigen<br />
Kosten zu realisieren. Der Umrichter mit einem Volumen von 5,7<br />
Litern hat einen Spitzenstrom von 400 A eff<br />
bei einer Batteriespannung<br />
von 160 V und lässt sich direkt auf der Antriebsachse eines<br />
Fahrzeugs montieren. Für diese Anordnung muss das System eine<br />
einwandfreie Funktion bei Vibrationen von 12 g und mechanischem<br />
Stoß bis 100 g gewähren, und das für 20.000 Betriebsstunden<br />
unter Außentemperaturen zwischen -40 und +85 °C.<br />
Schon für die ersten Windkraftanlagen entwickelte <strong>Semikron</strong><br />
vor 20 Jahren IGBT-Module, die mit einer modernen Druckkontakttechnik<br />
und funktionaler Integration von Leistung, Ansteuerung<br />
und Sensorik den Herausforderungen dieser Applikation in<br />
Bezug auf Langzeitzuverlässigkeit und Leistungsdichte gewachsen<br />
waren. Heute sind SKiiP-IPMs der dritten Generation im Einsatz.<br />
Mehr als 80 GW wurden bisher installiert, was in etwa der Hälfte<br />
der bis heute installierten Windgenerator-Leistung entspricht.<br />
Nun ist die vierte Generation, der SKiiP4, in der Markteinführungsphase.<br />
Das SKiiP4-Leistungsmodul in der Sechsfach-Ausführung,<br />
wie in Bild 2 zu sehen, leistet 3600 A. Im Vergleich: das<br />
SKiiP3 als Vierfach-Ausführung bietet 1800 A, jeweils für eine<br />
Sperrspannung von 1700 V. Mit SKiiP4 gelang es <strong>Semikron</strong> ein<br />
IPM zu entwickeln, das bei identischer Baugröße 30 Prozent höhere<br />
Leistung ermöglicht. Im Leistungshalbleitermodul werden die<br />
IGBT- und Diodenchips nicht auf das Substrat gelötet, sondern gesintert.<br />
Zwischenkreisspannungen bis zu 1300 V lassen sich durch<br />
eine verbesserte Ansteuerung sicher beherrschen. Zudem werden<br />
Anforderungen hinsichtlich der Anlagenaufstellung in größerer<br />
Höhe über dem Meeresspiegel und außerhalb des Küstenbereichs<br />
erfüllt. Zur Absicherung der geforderten niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit<br />
unterzieht <strong>Semikron</strong> jede Einheit vor Auslieferung<br />
einem Burn-in-Test. Wenn die Leistungselektronik in den Massenmarkt<br />
Automobil eingesetzt wird, müssen die Systeme kleiner und<br />
zuverlässiger werden. Das gleiche gilt für Windkraftanlagen. Bei<br />
Off-Shore-Installationen sind Wartungseinsätze extrem teuer.<br />
Im Blickpunkt: Aufbau- und Verbindungstechnik<br />
Bei der klassischen Aufbau- und Verbindungstechnik existieren<br />
heute fünf unterschiedliche technische Limits, die es in der Leistungselektronik<br />
zu überwinden gilt: Die Lötverbindungen, die Bodenplatten,<br />
das Modul layout, die Chiptemperaturen sowie die<br />
Stromdichten.<br />
■■ Lötverbindungen: In einem konventionell gelöteten Leistungsmodul<br />
mit einer Kupferbodenplatte stellt die Lötverbindung in der<br />
Regel den mechanisch schwächsten Punkt des Gesamtsystems dar:<br />
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien,<br />
durch hohe Temperaturänderungen und wechselnde elektrische<br />
Lasten während des Betriebes entstehen Ermüdungserscheinungen<br />
der Lötlagen im Modulaufbau. Indizien dafür sind die sich<br />
während des Betriebes erhöhenden thermischen Widerstände, die<br />
zu hohen Chiptemperaturen führen. Dieser Wechselwirkungsprozess<br />
führt unweigerlich zu einem Komponentenfehler durch<br />
abhebende Bonddrähte. Zusätzlich gibt es bei gelöteten Verbindungen<br />
zu einer Leiterplatte das Zuverlässigkeitsrisiko kalter Lötstellen.<br />
■■ Bodenplatten: Die Bodenplatten für Module mit großen Abmessungen<br />
und höherer Leistung können in Bezug auf thermische<br />
und mechanische Performance nur mit technischen Schwierigkeiten<br />
und unter hohen Kosten realisiert werden. Die einseitige<br />
Substrat lötung erzeugt einen Bimetalleffekt, der nicht homogene<br />
Verwindungen verursacht. Dadurch ist die thermische Anbindung<br />
an den Kühlkörper nicht optimal. Anstelle einer Kühlkörperanbindung<br />
mit quasi metallischem Kontakt muss die Lücke zwischen<br />
Bodenplatte und Kühlkörper mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt<br />
werden, die von Haus aus schlechte thermische Eigenschaften mitbringt.<br />
Ergebnis: eine Barriere im thermischen Gesamtsystem. Die<br />
Wärmeleitpaste hat einen thermischen Widerstand der 400-mal<br />
höher als der von Kupfer ist. Diese Schicht ist für bis zu 60 Prozent<br />
des thermischen Widerstandes zwischen Chip und Kühlmedium<br />
verantwortlich.<br />
■■ Das Modullayout: Bei Modulen ab 150 A müssen Chips auf der<br />
DCB parallel geschaltet werden, um größere Stromratings zu erzielen.<br />
Durch die mechanischen Restriktionen beim Layout konventioneller<br />
Bodenplattenmodule ist eine ideale Symmetrie oft<br />
nicht erreichbar. Das Ergebnis sind Inhomogenitäten im Schaltverhalten<br />
parallel geschalteter Chips und unterschiedliche Ströme<br />
an den Chippositionen. Deshalb wird im Datenblatt immer der<br />
schwächste Chip spezifiziert. Interne Aufbauten mit Bonddrähten<br />
oder Verbindern verschlechtern die Leitwiderstände im Modul<br />
und führen zu hohen Streuinduktivitäten.<br />
■■ Chiptemperaturen: Weiterentwicklungen in der IGBT-Technologie<br />
ermöglichen feinere IGBT-Zellstrukturen und damit kleinere<br />
Chips. Das wird auch durch den Druck, die Kosten der Leistungshalbleiter<br />
zu minimieren, forciert. Mit kleineren Komponenten<br />
geht eine Erhöhung der Stromdichten einher, denn die Chips sind<br />
die letzten Jahre im Schnitt um 35 Prozent kleiner geworden.<br />
Auf einen Blick<br />
Grün denken und handeln<br />
In Zeiten von Green Electronics zur Energieeinsparung und Klimaschonung<br />
gewinnt die Leistungselektronik zunehmend an Bedeutung.<br />
Um die Leistungsdichte von Leistungsbausteinen zu erhöhen und diese<br />
somit energieeffizienter sowie zuverlässiger zu gestalten, spielt<br />
die Aufbau- und Verbindungstechnik eine wichtige Rolle. Hier haben<br />
Wärmeleitpaste und Drahtbonds – Erbstücke des Industriemoduls –<br />
so langsam ausgespielt. An ihrer Stelle werden in naher Zukunft in<br />
bestimmten Applikationen hochzuverlässige Sinterschichten und<br />
Folien zum Einsatz kommen.<br />
infoDIREKT www.all-electronics.de <br />
109ejl0211<br />
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011<br />
13
Leistungsbauteile und Powermodule<br />
Bild 1 (links): Das Skai-System für Flurförderfahrzeuge<br />
hat ein Volumen von 5,7 Litern und ist für einen<br />
Spitzenstrom von 400 A eff<br />
bei einer Batteriespannung von<br />
160 V ausgelegt.<br />
Bild 2 (rechts): Ermöglicht im Vergleich zu Vorgängergenerationen<br />
bei gleicher Baugröße etwa 30 Prozent mehr<br />
Leistung: Das SKiiP4-IPM in der 6-fach-Ausführung.<br />
Bild 3 (unten): Modernes Verfahren: Die Silber-Sintertechnologie<br />
kommt auch für die Chipoberseite und die<br />
thermische Verbindung zum Kühlkörper zum Einsatz.<br />
Bilder: <strong>Semikron</strong><br />
Gleichzeitig sind die maximalen Sperrschichttemperaturen auf<br />
175 °C gestiegen. Das bedeutet, dass die Module einerseits kompakter<br />
werden, aber andererseits, dass der Temperaturgradient<br />
zwischen IGBT und Umgebungstemperatur größer wird. Dadurch<br />
steigen die Belastungen für die Materialien. Eine Erhöhung der<br />
Temperatur um 25 Kelvin bedeutet eine Verringerung der Zuverlässigkeit<br />
um den Faktor 5. Anmerkung: Mit neuen Halbleitermaterialien,<br />
wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid, lassen sich höhere<br />
Temperaturen realisieren.<br />
■■ Stromdichten: Moderne IGBT- und Mosfet-Chips überzeugen<br />
im Vergleich zu Vorgängermodellen mit höheren Stromdichten.<br />
Das konventionelle Aluminimum-Dickdrahtbonden stellt bei kleinen<br />
Oberseitenkontakten ein Hindernis für höhere Lastströme<br />
und verbesserte Zuverlässigkeit dar. Es ist zwar möglich, das<br />
Drahtbonden weiter zu optimieren und neue Materialien einzusetzen<br />
– das bedeutet aber einen erheblichen Aufwand bei der Chipherstellung<br />
und damit höhere Kosten der Halbleiter.<br />
Die fünf beschriebenen Limits der Aufbau- und Verbindungstechnologie<br />
sind voneinander unabhängige Faktoren. Deshalb ist<br />
es sinnvoll nach einer integralen technischen Lösung anstelle von<br />
Einzellösungen zu suchen.<br />
Lötverbindungen zwischen Chip und DCB ersetzen<br />
Das Silber-Sintern ist bereits heute ein Serienverfahren, um Lötverbindungen<br />
zwischen Chip und DCB zu ersetzen. Durch die hohe<br />
Schmelztemperatur von 962 °C im Vergleich zu klassischen<br />
Loten ist die Zuverlässigkeit einer Sinterschicht um ein Vielfaches<br />
höher. Sie ermöglicht damit den Einsatz der Leistungselektronik<br />
bei hohen Temperaturen in anspruchsvollen Anwendungen, wie<br />
Fahrzeugen. Vorteil: Die maximale Sperrschichttemperatur von<br />
175 °C beträgt nur 18 Prozent der Schmelztemperatur der Sinterlage.<br />
Das ist ein großer Unterschied zur klassischen Lötverbindung,<br />
wo die maximale Chiptemperatur bei 60 Prozent der Schmelztemperatur<br />
liegt und damit zu den bereits erwähnten Degradierungen<br />
führt. Allerdings bleibt eine Zuverlässigkeitsbarriere erhalten –<br />
nämlich die Bonddrähte auf der Chipoberseite.<br />
Der Ersatz der Bonddrähte auf der Chipoberseite wird in der<br />
Industrie und auf Konferenzen bereits seit einigen Jahren disku-<br />
tiert. Die meisten Ansätze basieren auf Lötungen und integrierten<br />
Verbindungstechnologien.<br />
Silber-Sintertechnologie sorgt für höhere Leistungsdichte<br />
Ein neues Verfahren: die Silber-Sintertechnologie auch auf die<br />
Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper<br />
anwenden. Die Chips werden durch Sinterverfahren auf der Oberseite<br />
an eine flexible und strukturierte Platine angebunden. Die<br />
Leiterstrukturen sind so dick, dass sie Lastströme tragen können.<br />
Die DCB-Unterseite wird direkt auf den Kühlkörper gesintert, wie<br />
Bild 3 verdeutlicht. Auch die elektrischen Hauptanschlüsse lassen<br />
sich auf die DCB sintern und können damit bisherige Löt- oder<br />
Bondverbindungen ersetzen. Der Ersatz der Wärmeleitpaste mit<br />
Hilfe einer Silber-Sinterlage und damit die Reduktion des thermischen<br />
Widerstandes macht es möglich, die Leistungsdichte um<br />
über 30 Prozent zu erhöhen. Die flexible Platine mit der flächigen<br />
Chip-Kontaktierung anstelle von Bonddrähten verbessert die Zuverlässigkeit.<br />
Die bessere Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten<br />
zwischen der Kontaktfläche des Chips und<br />
dem Material der Platine ist der Grund für die verbesserte Lastwechselfestigkeit.<br />
Damit ist eine Aufbautechnik ohne Drahtbonds,<br />
Lötungen und Wärmeleitpaste möglich.<br />
Fazit<br />
Die Silber-Sintertechnologie bietet Potenzial für technische Weiterentwicklungen.<br />
Stromsensorik und Gate-Ansteuerung werden<br />
ständig weiter miniaturisiert. Auf der Oberseite der Platine ist zukünftig<br />
eine 3D-Integration möglich. So wird es mit dieser Technologie<br />
möglich sein, Umrichter zu bauen, die im Vergleich zum<br />
heutigen, modernen System nochmals eine Erhöhung des spezifischen<br />
Leistungsvolumens von bis zu 100 Prozent realistisch erscheinen<br />
lassen. Die Technologie wird ihre Vorteile am besten<br />
durch integrierte, kompakte Systeme mit optimaler mechanischer<br />
Integration entfalten. (eck)<br />
n<br />
Der Autor: Thomas Grasshoff ist Leiter Internationales<br />
Produktmanagement bei <strong>Semikron</strong> in Nürnberg.<br />
14 elektronikJOURNAL 02/2011<br />
www.elektronikjournal.com