SKiN Technology - Semikron

Leistungsbauteile und Powermodule
Einen Schritt voraus sein
Aufbau- und Verbindungstechnik optimiert Leistungselektronik
Applikationsbereiche, wie regenerative Energien oder Elektromobilität sowie Themen, wie Energieeinsparung,
lassen sich ohne die entsprechende Leistungselektronik nicht bewerkstelligen. Eine wichtige Rolle spielt dabei die
Aufbau- und Verbindungstechnik. Hier gilt es technische Grenzen, beispielsweise Lötverbindungen oder Bodenplatte,
zu überwinden. Welche Lösungen und Trends es gibt, zeigt Semikron. Autor: Thomas Grasshoff
Die Leistungselektronik leistet einen zunehmenden Beitrag
bei aktuellen Trendthemen, wie regenerative Energien,
Elektromobilität und Energieeinsparung. Diese Anwendungsfelder
ließen sich nur mit Hilfe von Innovationen
erschließen, denn die Anforderungen der verschiedenen Märkte
erfordern technologische Lösungen, die über den allgemeinen Industriestandard
der 90er Jahre hinausgehen. Semikron versucht
Trends frühzeitig aufzuspüren und stellt entsprechende Technologien
zur Verfügung. Dafür werden kontinuierlich die Limits existierender
Technologien durch neue Wege ersetzt. Wärmeleitpaste
und Drahtbonds sind die verbliebenen Erb stücke des Industriemoduls
und die werden nun für bestimmte Applikationen durch
hochzuverlässige Sinterschichten und flexible Platinen ersetzt. Die
weltweit in den Fokus gerückte Umweltpolitik und ein stärker an
Umweltaspekten ausgerichtetes Konsumentenverhalten bei der
Auswahl von Energiequellen hat den Einfluss der Leistungselektronik
als Möglichkeit der Energieumwandlung und -steuerung
wachsen lassen. Produkte und Anwendungen werden auf Wirkungsgrad,
Zuverlässigkeit und Kompaktheit optimiert. Leistungselektronik
ist eine Schlüsseltechnologie, um eine zukünftige Mobilität
auf Basis der Hybridtechnik und der Elektrofahrzeuge zu ermöglichen
sowie steigenden Emissionen und abnehmenden Ressourcen
entgegenzutreten. Um den Anforderungen dieser Märkte
gerecht zu werden und die Akzeptanz zu verbessern, sind Weiterentwicklungen
der Leistungselektronik unumgänglich.
Wichtige Themen: die Leistungsdichten erhöhen, das Bauvolumen
reduzieren und die Zuverlässigkeit verbessern. Für Leistungselektronikhersteller
ist es eine Herausforderung, diese diametralen
Bilder: Semikron
Drahtbonds und Wärmeleitpaste
ade: Moderne Methoden der
Verbindungstechnik, wie das
Silbersintern, verbessern die
Leistungselektronik.
12 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com

Leistungsbauteile und Powermodule
Anforderungen zu realisieren. Zusätzlich werden immer höhere
Leistungen gefordert – das heißt, Themen, wie Parallelschaltung
und thermisches Management, erhalten zusätzliche Bedeutung.
Die Leistungselektronik für die stark wachsenden Märkte erneuerbare
Energien und Elektrofahrzeuge profitiert in zwei Bereichen:
Erstens sind Leistungshalbleiter für die Energieumwandlung bei
der Erzeugung notwendig, zum Beispiel für Umrichter in Windkrafträdern.
Zweitens sind diese Bauelemente das Kernelement bei
drehzahlgesteuerten Umrichtern und damit der effizienten Energie-Nutzbarmachung.
Schlüsselfaktoren: hohe Zuverlässigkeit
und niedrige Kosten
In elektrisch betriebenen Fahrzeugen muss die Leistungselektronik
besonders platzsparend und gewichtsarm sein. Darüber hinaus
muss sie auch zuverlässig in rauer Umgebung funktionieren. Um
diesen Anforderungen gerecht zu werden, hat Semikron den klassischen
Technologieweg der Modulbasis verlassen und soweit wie
möglich alle Funktionen des leistungselektronischen Systems mechanisch
integriert. Bild 1 zeigt das aktuelle System für Flurförderfahrzeuge.
Die Herausforderung in der Entwicklung liegt darin,
widerstrebende elektrische, mechanische und thermische Ansprüche
mit höchstmöglicher Zuverlässigkeit und zu vernünftigen
Kosten zu realisieren. Der Umrichter mit einem Volumen von 5,7
Litern hat einen Spitzenstrom von 400 A eff
bei einer Batteriespannung
von 160 V und lässt sich direkt auf der Antriebsachse eines
Fahrzeugs montieren. Für diese Anordnung muss das System eine
einwandfreie Funktion bei Vibrationen von 12 g und mechanischem
Stoß bis 100 g gewähren, und das für 20.000 Betriebsstunden
unter Außentemperaturen zwischen -40 und +85 °C.
Schon für die ersten Windkraftanlagen entwickelte Semikron
vor 20 Jahren IGBT-Module, die mit einer modernen Druckkontakttechnik
und funktionaler Integration von Leistung, Ansteuerung
und Sensorik den Herausforderungen dieser Applikation in
Bezug auf Langzeitzuverlässigkeit und Leistungsdichte gewachsen
waren. Heute sind SKiiP-IPMs der dritten Generation im Einsatz.
Mehr als 80 GW wurden bisher installiert, was in etwa der Hälfte
der bis heute installierten Windgenerator-Leistung entspricht.
Nun ist die vierte Generation, der SKiiP4, in der Markteinführungsphase.
Das SKiiP4-Leistungsmodul in der Sechsfach-Ausführung,
wie in Bild 2 zu sehen, leistet 3600 A. Im Vergleich: das
SKiiP3 als Vierfach-Ausführung bietet 1800 A, jeweils für eine
Sperrspannung von 1700 V. Mit SKiiP4 gelang es Semikron ein
IPM zu entwickeln, das bei identischer Baugröße 30 Prozent höhere
Leistung ermöglicht. Im Leistungshalbleitermodul werden die
IGBT- und Diodenchips nicht auf das Substrat gelötet, sondern gesintert.
Zwischenkreisspannungen bis zu 1300 V lassen sich durch
eine verbesserte Ansteuerung sicher beherrschen. Zudem werden
Anforderungen hinsichtlich der Anlagenaufstellung in größerer
Höhe über dem Meeresspiegel und außerhalb des Küstenbereichs
erfüllt. Zur Absicherung der geforderten niedrigen Ausfallwahrscheinlichkeit
unterzieht Semikron jede Einheit vor Auslieferung
einem Burn-in-Test. Wenn die Leistungselektronik in den Massenmarkt
Automobil eingesetzt wird, müssen die Systeme kleiner und
zuverlässiger werden. Das gleiche gilt für Windkraftanlagen. Bei
Off-Shore-Installationen sind Wartungseinsätze extrem teuer.
Im Blickpunkt: Aufbau- und Verbindungstechnik
Bei der klassischen Aufbau- und Verbindungstechnik existieren
heute fünf unterschiedliche technische Limits, die es in der Leistungselektronik
zu überwinden gilt: Die Lötverbindungen, die Bodenplatten,
das Modul layout, die Chiptemperaturen sowie die
Stromdichten.
■■ Lötverbindungen: In einem konventionell gelöteten Leistungsmodul
mit einer Kupferbodenplatte stellt die Lötverbindung in der
Regel den mechanisch schwächsten Punkt des Gesamtsystems dar:
Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien,
durch hohe Temperaturänderungen und wechselnde elektrische
Lasten während des Betriebes entstehen Ermüdungserscheinungen
der Lötlagen im Modulaufbau. Indizien dafür sind die sich
während des Betriebes erhöhenden thermischen Widerstände, die
zu hohen Chiptemperaturen führen. Dieser Wechselwirkungsprozess
führt unweigerlich zu einem Komponentenfehler durch
abhebende Bonddrähte. Zusätzlich gibt es bei gelöteten Verbindungen
zu einer Leiterplatte das Zuverlässigkeitsrisiko kalter Lötstellen.
■■ Bodenplatten: Die Bodenplatten für Module mit großen Abmessungen
und höherer Leistung können in Bezug auf thermische
und mechanische Performance nur mit technischen Schwierigkeiten
und unter hohen Kosten realisiert werden. Die einseitige
Substrat lötung erzeugt einen Bimetalleffekt, der nicht homogene
Verwindungen verursacht. Dadurch ist die thermische Anbindung
an den Kühlkörper nicht optimal. Anstelle einer Kühlkörperanbindung
mit quasi metallischem Kontakt muss die Lücke zwischen
Bodenplatte und Kühlkörper mit einer Wärmeleitpaste ausgefüllt
werden, die von Haus aus schlechte thermische Eigenschaften mitbringt.
Ergebnis: eine Barriere im thermischen Gesamtsystem. Die
Wärmeleitpaste hat einen thermischen Widerstand der 400-mal
höher als der von Kupfer ist. Diese Schicht ist für bis zu 60 Prozent
des thermischen Widerstandes zwischen Chip und Kühlmedium
verantwortlich.
■■ Das Modullayout: Bei Modulen ab 150 A müssen Chips auf der
DCB parallel geschaltet werden, um größere Stromratings zu erzielen.
Durch die mechanischen Restriktionen beim Layout konventioneller
Bodenplattenmodule ist eine ideale Symmetrie oft
nicht erreichbar. Das Ergebnis sind Inhomogenitäten im Schaltverhalten
parallel geschalteter Chips und unterschiedliche Ströme
an den Chippositionen. Deshalb wird im Datenblatt immer der
schwächste Chip spezifiziert. Interne Aufbauten mit Bonddrähten
oder Verbindern verschlechtern die Leitwiderstände im Modul
und führen zu hohen Streuinduktivitäten.
■■ Chiptemperaturen: Weiterentwicklungen in der IGBT-Technologie
ermöglichen feinere IGBT-Zellstrukturen und damit kleinere
Chips. Das wird auch durch den Druck, die Kosten der Leistungshalbleiter
zu minimieren, forciert. Mit kleineren Komponenten
geht eine Erhöhung der Stromdichten einher, denn die Chips sind
die letzten Jahre im Schnitt um 35 Prozent kleiner geworden.
Auf einen Blick
Grün denken und handeln
In Zeiten von Green Electronics zur Energieeinsparung und Klimaschonung
gewinnt die Leistungselektronik zunehmend an Bedeutung.
Um die Leistungsdichte von Leistungsbausteinen zu erhöhen und diese
somit energieeffizienter sowie zuverlässiger zu gestalten, spielt
die Aufbau- und Verbindungstechnik eine wichtige Rolle. Hier haben
Wärmeleitpaste und Drahtbonds – Erbstücke des Industriemoduls –
so langsam ausgespielt. An ihrer Stelle werden in naher Zukunft in
bestimmten Applikationen hochzuverlässige Sinterschichten und
Folien zum Einsatz kommen.
infoDIREKT www.all-electronics.de
109ejl0211
www.elektronikjournal.com elektronikJOURNAL 02/2011
13

Leistungsbauteile und Powermodule
Bild 1 (links): Das Skai-System für Flurförderfahrzeuge
hat ein Volumen von 5,7 Litern und ist für einen
Spitzenstrom von 400 A eff
bei einer Batteriespannung von
160 V ausgelegt.
Bild 2 (rechts): Ermöglicht im Vergleich zu Vorgängergenerationen
bei gleicher Baugröße etwa 30 Prozent mehr
Leistung: Das SKiiP4-IPM in der 6-fach-Ausführung.
Bild 3 (unten): Modernes Verfahren: Die Silber-Sintertechnologie
kommt auch für die Chipoberseite und die
thermische Verbindung zum Kühlkörper zum Einsatz.
Bilder: Semikron
Gleichzeitig sind die maximalen Sperrschichttemperaturen auf
175 °C gestiegen. Das bedeutet, dass die Module einerseits kompakter
werden, aber andererseits, dass der Temperaturgradient
zwischen IGBT und Umgebungstemperatur größer wird. Dadurch
steigen die Belastungen für die Materialien. Eine Erhöhung der
Temperatur um 25 Kelvin bedeutet eine Verringerung der Zuverlässigkeit
um den Faktor 5. Anmerkung: Mit neuen Halbleitermaterialien,
wie Siliziumkarbid und Galliumnitrid, lassen sich höhere
Temperaturen realisieren.
■■ Stromdichten: Moderne IGBT- und Mosfet-Chips überzeugen
im Vergleich zu Vorgängermodellen mit höheren Stromdichten.
Das konventionelle Aluminimum-Dickdrahtbonden stellt bei kleinen
Oberseitenkontakten ein Hindernis für höhere Lastströme
und verbesserte Zuverlässigkeit dar. Es ist zwar möglich, das
Drahtbonden weiter zu optimieren und neue Materialien einzusetzen
– das bedeutet aber einen erheblichen Aufwand bei der Chipherstellung
und damit höhere Kosten der Halbleiter.
Die fünf beschriebenen Limits der Aufbau- und Verbindungstechnologie
sind voneinander unabhängige Faktoren. Deshalb ist
es sinnvoll nach einer integralen technischen Lösung anstelle von
Einzellösungen zu suchen.
Lötverbindungen zwischen Chip und DCB ersetzen
Das Silber-Sintern ist bereits heute ein Serienverfahren, um Lötverbindungen
zwischen Chip und DCB zu ersetzen. Durch die hohe
Schmelztemperatur von 962 °C im Vergleich zu klassischen
Loten ist die Zuverlässigkeit einer Sinterschicht um ein Vielfaches
höher. Sie ermöglicht damit den Einsatz der Leistungselektronik
bei hohen Temperaturen in anspruchsvollen Anwendungen, wie
Fahrzeugen. Vorteil: Die maximale Sperrschichttemperatur von
175 °C beträgt nur 18 Prozent der Schmelztemperatur der Sinterlage.
Das ist ein großer Unterschied zur klassischen Lötverbindung,
wo die maximale Chiptemperatur bei 60 Prozent der Schmelztemperatur
liegt und damit zu den bereits erwähnten Degradierungen
führt. Allerdings bleibt eine Zuverlässigkeitsbarriere erhalten –
nämlich die Bonddrähte auf der Chipoberseite.
Der Ersatz der Bonddrähte auf der Chipoberseite wird in der
Industrie und auf Konferenzen bereits seit einigen Jahren disku-
tiert. Die meisten Ansätze basieren auf Lötungen und integrierten
Verbindungstechnologien.
Silber-Sintertechnologie sorgt für höhere Leistungsdichte
Ein neues Verfahren: die Silber-Sintertechnologie auch auf die
Chipoberseite und die thermische Verbindung zum Kühlkörper
anwenden. Die Chips werden durch Sinterverfahren auf der Oberseite
an eine flexible und strukturierte Platine angebunden. Die
Leiterstrukturen sind so dick, dass sie Lastströme tragen können.
Die DCB-Unterseite wird direkt auf den Kühlkörper gesintert, wie
Bild 3 verdeutlicht. Auch die elektrischen Hauptanschlüsse lassen
sich auf die DCB sintern und können damit bisherige Löt- oder
Bondverbindungen ersetzen. Der Ersatz der Wärmeleitpaste mit
Hilfe einer Silber-Sinterlage und damit die Reduktion des thermischen
Widerstandes macht es möglich, die Leistungsdichte um
über 30 Prozent zu erhöhen. Die flexible Platine mit der flächigen
Chip-Kontaktierung anstelle von Bonddrähten verbessert die Zuverlässigkeit.
Die bessere Übereinstimmung der thermischen Ausdehnungskoeffizienten
zwischen der Kontaktfläche des Chips und
dem Material der Platine ist der Grund für die verbesserte Lastwechselfestigkeit.
Damit ist eine Aufbautechnik ohne Drahtbonds,
Lötungen und Wärmeleitpaste möglich.
Fazit
Die Silber-Sintertechnologie bietet Potenzial für technische Weiterentwicklungen.
Stromsensorik und Gate-Ansteuerung werden
ständig weiter miniaturisiert. Auf der Oberseite der Platine ist zukünftig
eine 3D-Integration möglich. So wird es mit dieser Technologie
möglich sein, Umrichter zu bauen, die im Vergleich zum
heutigen, modernen System nochmals eine Erhöhung des spezifischen
Leistungsvolumens von bis zu 100 Prozent realistisch erscheinen
lassen. Die Technologie wird ihre Vorteile am besten
durch integrierte, kompakte Systeme mit optimaler mechanischer
Integration entfalten. (eck)
n
Der Autor: Thomas Grasshoff ist Leiter Internationales
Produktmanagement bei Semikron in Nürnberg.
14 elektronikJOURNAL 02/2011
www.elektronikjournal.com