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2 Grundlagen Wichtige Ziele der Weiterentwicklung sind: -- Erhöhung der Schaltleistungen (Strom, Spannung) -- Verringerung der Verluste in den Halbleitern sowie in Ansteuer- und Schutzschaltungen -- Erweiterung des Betriebstemperaturbereiches -- Erhöhung von Lebensdauer, Robustheit und Zuverlässigkeit -- Verringerung des Ansteuer- und Schutzaufwands, „Verbesserung“ des Verhaltens im Fehlerfall -- Kostensenkung Die Richtungen der Weiterentwicklung unterteilen sich grob wie folgt: Halbleitermaterialien -- neue Halbleitermaterialien (z.B. wide bandgap materials) Chiptechnologie -- höhere zulässige Chiptemperaturen bzw. Stromdichten (Flächenverkleinerung) -- feinere Strukturen (Flächenverkleinerung) -- neue Strukturen (Verbesserung von Eigenschaften) -- Funktionsintegration auf dem Chip (z.B. Gatewiderstand, Temperaturmessung, monolithische Systemintegration) -- neue monolithische Bauelemente durch Zusammenfassung von Funktionen (RC-IGBT, ESBT) -- Verbesserung der Stabilität von Chipeigenschaften unter klimatischen Einflüssen Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) -- Erhöhung der Temperatur- und Lastwechselfestigkeit -- Verbesserung der Wärmeabführung (Isoliersubstrat, Bodenplatte, Kühler) -- Ausweitung der klimatischen Einsatzbereiche durch Verbesserung der Gehäuse- und Vergussmaterialien oder neue Packagingkonzepte -- Optimierung der inneren Verbindungen und Anschlusslayouts hinsichtlich parasitärer Elemente -- anwenderfreundliche Optimierung der Gehäuse zur Vereinfachung der Gerätekonstruktionen -- Senkung der Packagingkosten und Verbesserung der Umweltfreundlichkeit in Fertigung, Betrieb und Recycling Integrationsgrad -- Erhöhung der Komplexität von Leistungsmodulen zur Systemkostensenkung -- Integration von Ansteuerungs-, Monitoring- und Schutzfunktionen -- Systemintegration Bild 2.1.3 zeigt verschiedene Integrationsstufen von Leistungsmodulen Module concept: <strong>Power</strong> semiconductor soldered and bonded Bond Bond wire wire Chip Chip Solder Solder Standard modules Switching, Switches, Insulation IPM Modules + Driver + Protection IPM IPM + + Sub- Controller + systems bus interfaces Bild 2.1.3 Integrationsstufen von Leistungsmodulen 15
2 Grundlagen Durch komplexere Technologien, kleinere Halbleiterstrukturen und exakte Beherrschung der Prozesse nähern sich heute die Eigenschaften moderner Leistungshalbleiter unaufhaltsam den physikalischen Grenzen des Halbleitermaterials Silizium. Deshalb wurden die bereits in den 50er Jahren begonnenen Forschungen an alternativen Materialien in den letzten Jahren forciert und haben inzwischen erste Großserienprodukte hervorgebracht. Im Mittelpunkt der Entwicklung stehen heute die „wide bandgap materials“ Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), die gegenüber Silizium einen deutlich höheren energetischen Abstand zwischen Valenz- und Leitungsband aufweisen, woraus vergleichweise niedrigere Durchlass- und Schaltverluste, höhere mögliche Chiptemperaturen und eine gegenüber Silizium bessere Wärmeleitfähigkeit resultieren. Tabelle 2.1.1 enthält quantitative Angaben zu den wichtigsten Materialkenngrößen [2], Bild 2.1.4 zeigt die Konsequenzen auf die Materialeigenschaften. Parameter Si 4H-SiC GaN Bandgap Energie E g eV 1,12 3,26 3,39 Eigenleitungsdichte n i cm - ³ 1,4*10 -10 8,2*10 -9 1,9*10 -10 Durchbruchfeldstärke E c MV/cm 0,23 2,2 3,3 Elektronenbeweglichkeit µ n cm²/Vs 1400 950 1500 Driftgeschwindigkeit n sat cm/s 10 7 2,7*10 7 2,5*10 7 Dielektrizitätskonstante e r - 11,8 9,7 9,0 Wärmeleitfähigkeit l W/cmK 1,5 3,8 1,3 Tabelle 2.1.1 Eigenschaften von Halbleitermaterialien mit weitem Bandabstand im Vergleich zu Silizium Determines temperature limit for device operation Bandgap 100.0 10.0 Determines heat dissipation characteristic in power design Relates to device´s carrier transported switching speed Thermal Conductivity Saturation Velocity 4H-SiC GaN 1.0 0.1 Si Dielectric Constant Breakdown Electric Field Determines BV vs. Specific Ron trade-off for devices design Bild 2.1.4 Konsequenzen unterschiedlicher physikalischer Parameter von Halbleitermaterialien [3] Schlüsselfaktor einer breiteren Einführung von SiC ist heute jedoch die kosteneffiziente Herstellbarkeit entsprechender einkristalliner Chips mit ausreichender Materialqualität ohne Kristalldegradationen (Micropipes), auch in den für die Leistungselektronik optimalen Wafergrößen. Während Si heute auf 8“ Wafern zu Kosten von 0,10 €/cm² fast defektfrei hergestellt wird, liegt die Defektdichte bei SiC Wafern mit nur 4“ Durchmesser eine Größenordnung höher, was die Kosten im Vergleich zu Si vervielfacht. GaN mit gegenüber SiC etwas schlechteren Eigenschaften wurde bisher 16
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2 Grundlagen Bei den keramischen Is
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2 Grundlagen Material Wärmeleitfä
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2 Grundlagen Baseplate Module a) pr
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Literaturverzeichnis [17] Lutz, J.:
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Literaturverzeichnis [60] Zverev, I
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