Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Gemeinsam mit den Kühl- und Umgebungsbedingungen bestimmt der R th(j-s)
die höchstzulässigen
Modulverluste. Die Entwicklung der Leistungshalbleitermodule ist daher auch immer mit der
Reduzierung der Anzahl der Schichten, Reduzierung der Dicken (0,63 mm → 0,38 mm Keramik)
und dem Einsatz besser wärmeleitfähiger Materialen (AlN, Graphit) verbunden. Dieser Entwicklung
sind durch Isolationsspannung und mechanische Festigkeit jedoch physikalische Grenzen
gesetzt.
5 th generation
9 layers
new 6 th generation
5 layers
Bild 2.5.14 Entwicklung der Semipack Gleichrichterbrücken: Reduktion des thermischen Widerstandes
durch Weglassen von Schichten
Wärmespreizung
Bild 2.5.15 zeigt einen berechneten Temperaturverlauf in den einzelnen Schichten eines bodenplattenlosen
Moduls bei ungestörter Wärmespreizung. Berücksichtigt ist hierbei die Wärmeleitfähigkeit
der einzelnen Schichten und die vom Wärmefluss durchströmte Fläche. Ein Vergrößerung
der Fläche durch bessere Wärmespreizung reduziert folglich den thermischen Widerstand
der nachfolgenden Schicht. Eine dünnere Kupferschicht würde in einem eindimensionalen Modell
zwar zu einem kleineren thermischen Widerstand führen, im realen dreidimensionalen Raum würde
sich durch die reduzierte Spreizung der R th
eher erhöhen. Dickere Metallschichten bei den
DCB-Substraten bringen thermische Vorteile, allerdings erhöhen sie die thermischen Spannungen
innerhalb der Substrate.
Die Wärmespreizung hängt nicht allein von den Materialeigenschaften der betreffenden Schicht
ab, sondern auch von denen der nächstfolgenden Schicht. Damit der Wärmestrom eine schlecht
leitende Schicht überwinden kann, muss sich ein entsprechend hohes Potential (Temperaturdifferenz)
aufbauen. Dies führt dann in einer darüber liegenden gut leitenden Schicht zu verstärkter
Querleitung (Wärmespreizung).
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