Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Bei den keramischen Isolatoren dominieren die DCB-Substrate (Direct Copper Bonding). Bei diesen
besteht der Isolator meist aus Aluminiumdioxid Al 2
O 3
, die beidseitigen Metallschichten aus
Kupfer. Die Verbindung von Metall und Keramik erfolgt bei Temperaturen von knapp über 1063°C
durch ein dünnflüssiges Kupfer-Kupferoxid Eutektikum. Nahezu gleichwertig zu DCB-Substraten
sind AMB-Keramiken (Active Metal Brazing, Aktivlöten), bei denen Kupfer- oder Aluminiumfolien
mittels eines titanhaltigen Hartlotes auf die Aluminiumoxid- oder Aluminiumnitrid(AlN)-Keramik
gelötet werden. Die oberseitige Kupferschicht ist in die für die Modulverschaltung notwendigen
Leiterbahnen strukturiert. Unterseitig wird die DCB-Keramik dann entweder mit der Modul-Bodenplatte
verlötet oder mittels geeigneter Gehäusekonstruktionen direkt auf die Kühlkörperoberfläche
gepresst.
a) b)
Bild 2.5.11 Vergleich des Aufbaus von IMS (a) und DCB (b)
Vorteil der Keramiksubstrate ist, dass ihre thermischen Ausdehnungskoeffizienten sehr nahe an
dem von Silizium liegen. Im Gegensatz dazu wird die Ausdehnung von IMS vom Material der
Grundplatte (Kupfer oder Aluminium) bestimmt, was bei Temperaturänderung zu einer hohen
Spannung zwischen Substrat und aufgelötetem Siliziumchip führt (Kap. 2.7). Mit dem Vordringen
der IGBT-Module in immer höhere Spannungsbereiche verschärfen sich die Forderungen hinsichtlich
hoher Isolationsspannungen und großer Teilentladungsfestigkeit. Die Isolations- und Teilentladungsfestigkeit
ist von Dicke, Material und Homogenität der Bodenisolation, vom Gehäuse- und
Füllmaterial und ggf. auch von der Chipanordnung abhängig. Heutige Transistormodule haben
Isolationsprüfspannungen zwischen 2,5 kV eff
und 9 kV eff
, die in der Fertigung an jedem Modul
nachgewiesen werden.
Bild 2.5.12 zeigt die mit den heute eingeführten Standard-Substratdicken d maximal erreichbaren
Isolationsspannungen unterschiedlicher Isoliersubstrate.
Isolation voltage
6 kV
13 kV
7 kV 7 kV
Al 2
O 3
AlN Epoxyd Polyimid
d [mm] 0.38 0.63 0.12 0.025
Bild 2.5.12 Isolationsspannungen unterschiedlicher Isoliersubstrate
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