Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Baseplate
Module
a)
pressure
pressure
Baseplate
Thermal
Compound
Heatsink
Module
pressure
b)
DCB-Substrate
Thermal
Compound (Thin!)
Heatsink
DCB
c)
Bild 2.5.18 Auflageproblem von Leistungsmodulen auf dem Kühlkörper
a) Modul mit Bodenplatte vor Montage (Bodenplatte konvex vorgespannt)
b) Modul mit Bodenplatte nach Montage (stark übertriebene Darstellung!)
c) DCB-Modul ohne Bodenplatte (z.B. SEMITOP, SKiiP, MiniSKiiP)
Den höchsten Anteil am inneren thermischen Widerstand besitzt die Modulisolation. Eine externe
Isolation mittels Folien o.Ä. als Alternativlösung wäre jedoch noch wesentlich schlechter. Gegenüber
dem heute standardmäßig eingesetzten Al 2
O 3
mit 96 %iger Reinheit (Wärmeleitfähigkeit
l = 24 W/m*K) sind Verbesserungen hier z.B. durch hochreines Al 2
O 3
(l = 28 W/m*K) oder Aluminiumnitrid
(AlN, l = 180…200 W/m*K) erreichbar. Durch die deutlich höhere Wärmeleitfähigkeit
von AlN ist der thermische Widerstand der Module deutlich geringer, die zulässigen Stromstärken
daher höher. Allerdings sind die Kosten ebenfalls höher. Dem Einsatz von besser wärmeleitenden
Materialien stehen oft Kostengründe entgegen. Deshalb wird das AlN vor allem für Module mit hohen
Isolationsspannungen (dickere Isolierkeramik) eingesetzt, da hier erhöhte Isolationsfestigkeit
und Wärmeleitfähigkeit gleichzeitig ausgenutzt werden können.
Ein paar Prozent zum thermischen Widerstand tragen die Lotverbindungen Chip-Substrat und
(wenn vorhanden) Substrat-Bodenplatte bei. Ein Verzicht auf die Bodenplatte oder der Ersatz
dieser Schichten durch eine dünnere und thermisch besser leitfähige Silber-Sinterschicht kann
diesen Anteil noch halbieren. Der Anteil der metallischen Substratflächen hängt wesentlich von
der Strukturierung der oberen Kupferfläche ab, die als Chipträger und modulinternes, elektrisches
Verbindungssystem genutzt wird. Während der Wärmefluss in der kühlkörperseitigen Cu-Substratschicht
lateral praktisch ungehindert erfolgen kann, begrenzen die geometrischen Abmessungen
der Kupferflächen unter den Chips die Wärmespreizung. So wurde in [37] ermittelt, dass für einen
42mm² Chip auf einer Al 2
O 3
-DCB-Keramik der R th(j-c)
um etwa 15 % steigt, wenn die Kupferfläche
gleich der Chipfläche ist im Vergleich zu einem Fall mit ungestörter Wärmespreizung.
Der Anteil der Siliziumchips am thermischen Widerstand nimmt mit der Chipdicke zu, die durch
Vorwärtssperrspannung und Chiptechnologie vorgegeben ist. Weiterhin bestimmt die Größe der
Chipflächen die Wärmedurchtrittsflächen zwischen Chip und Bodenplatte bzw. Kühlkörper.
Chipgrößen-Effekte
Gemäß der Gleichung für den thermischen Widerstand müsste der R th
linear umgekehrt proportional
zur Fläche sinken. Im realen Aufbau wird über das Anwachsen des Verhältnisses Chipfläche/
Chipumfang die relative Temperaturspreizung geringer. Teilt man einen 9 mm x 9 mm großen Chip
in 9 Segmente, hat das innere Segment mit 3 mm x 3 mm Kantenlänge keinen Raum zur Wärmespreizung.
Dieser Effekt führt zu der in Bild 2.5.19 dargestellten Abhängigkeit des thermischen
Widerstandes R th(j-c)
von der Chipfläche A Chip
.
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