Aufbau- und Verbindungstechnik Total gesinterte Module

Zunehmend rückt die Leistungselektronik in das öffentliche Interesse und leistet einen Beitrag bei aktuellen Megatrends wie regenerative Energien, Elektromobilität und Energieeinsparung. Limitierende Faktoren sind dabei stets die thermischen Aspekte. Eine Möglichkeit, diese Grenzen immer weiter zu verschieben, sind neue Wege in der Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungsmodulen.

Bei der klassischen Aufbau- und Verbindungstechnik existieren heute unterschiedliche technische Limits, die zu überwinden sind. Diese betreffen die Lötverbindungen, die Bodenplatte, das Modullayout, die Chiptemperaturen und die Stromdichten. In einem konventionell gelöteten Leistungsmodul mit einer Kupferbodenplatte stellt die Lötverbindung oft den mechanisch schwächsten Punkt des Gesamtsystems dar. Durch die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der Materialien, starke Temperaturänderungen und wechselnde elektrische Lasten während des Betriebes entstehen Ermüdungserscheinungen der Lötlagen im Modulaufbau.

Indizien dafür sind die während des Betriebes sich erhöhenden thermischen Widerstände, die zu höheren Chiptemperaturen führen. Dieser Wechselwirkungsprozess führt unweigerlich zu einem Komponentenfehler durch abhebende Bonddrähte. Bei gelöteten Verbindungen zu einer Leiterplatte gibt es zusätzlich das Zuverlässigkeitsrisiko kalter Lötstellen. Bodenplatten für Module mit großen Abmessungen und dementsprechend höherer Leistung lassen sich bezüglich thermischer und mechanischer Performance nur mit technischen Schwierigkeiten und unter hohen Kosten realisieren.

Die einseitige Substratlötung erzeugt einen Bimetalleffekt, der nicht homogene Verwindungen verursacht. Dadurch ist die thermische Anbindung an den Kühlkörper nicht optimal. Anstelle einer idealen Kühlkörperanbindung mit quasi metallischem Kontakt muss die Lücke zwischen Bodenplatte und Kühlkörper mit Wärmeleitpaste, die schlechte thermische Eigenschaften hat, ausgefüllt werden. Das Ergebnis ist eine Barriere im thermischen Gesamtsystem. Die Wärmeleitpaste hat einen thermischen Widerstand, der 400-mal höher als der von Kupfer ist. Damit ist diese Schicht für bis zu 60% des thermischen Widerstandes zwischen Chip und Kühlmedium verantwortlich.

Bei Modulen ab 150 A müssen Chips auf der DCB (Direct Copper Bonded) parallel geschaltet werden. Durch die mechanischen Restriktionen beim Layout konventioneller Bodenplattenmodule ist eine ideale Symmetrie oft nicht zu erreichen. 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 erhöhen die Streuinduktivitäten.

Weiterentwicklungen in der IGBT-Technologie ermöglichen feinere IGBT-Zellstrukturen und damit kleinere Chips. Das wird auch durch den Druck zu niedrigeren Kosten der Leistungshalbleiter forciert. Mit kleineren Chips steigen auch die Stromdichten, denn die Chips sind über die letzten Jahre im Schnitt um 35 Prozent kleiner geworden. Gleichzeitig sind die maximalen Sperrschichttemperaturen auf +175 °C angehoben worden. Das bedeutet, dass die Module immer kompakter werden können, aber auch, dass der Temperaturgradient zwischen IGBT und Umgebungstemperatur immer größer wird und die Belastungen für die Materialien steigen.

Erhöht sich die Temperatur um 25 K, verringert sich die Zuverlässigkeit um den Faktor 5. Neue Halbleitermaterialien wie SiC und GaN erlauben noch höhere Sperrschichttemperaturen als die klassischen Silizium-Bauelemente. Neue IGBT- und MOSFET-Chiptechnologien haben höhere Stromdichten im Vergleich zu früheren Generationen. 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, dies bedeutet aber Aufwand bei der Chipherstellung und damit höhere Kosten der Halbleiter.

Integrale Lösungen statt Einzellösungen

Die beschriebenen Grenzen der Aufbau- und Verbindungstechnik sind jeweils unabhängig voneinander. Deshalb ist es sinnvoll, nach einer integralen technischen Lösung anstatt nach Einzellösungen zu suchen. Das Silber-Sintern ist heute bereits ein Serienverfahren, 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 und ermöglicht damit den Einsatz der Leistungselektronik bei hohen Temperaturen in anspruchsvollen Anwendungen wie Fahrzeugen.

Die maximale Sperrschichttemperatur von +175 °C beträgt nur 18 Prozent der Schmelztemperatur der Sinterlage. Dies 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. Jedoch bleibt eine Zuverlässigkeitsbarriere erhalten: die Bonddrähte auf der Chipoberseite.

Der Ersatz der Bonddrähte auf der Chipoberseite wird in der Industrie und auf Konferenzen bereits seit einigen Jahren diskutiert. Im Bereich der diskreten Bauelemente werden zweiseitige Lötverbindungen eingesetzt. Dabei wird nur ein Chip kleinerer Fläche verbaut und die thermischen Spannungen sind akzeptabel. Bei Modulen kommen häufig größere Chips zum Einsatz, und mehrere werden parallelgeschaltet. Deshalb ist es nahe liegend ein ähnliches Verfahren zur Chipkontaktierung wie auf der Unterseite anzuwenden.

Die Chips werden auf der Oberseite mittels Sinterverfahren an eine flexible und strukturierte Platine angebunden. Die Leiterstrukturen sind so dick, dass sie Lastströme von mehreren hundert Ampere tragen können (Bild 1). Die DCB-Unterseite wird direkt auf den Kühlkörper gesintert. Auch die elektrischen Hauptanschlüsse können auf die DCB gesintert werden und damit bisherige Löt- oder Bondverbindungen ersetzen.

Die Wärmeleitpaste wird durch eine Silber-Sinterlage ersetzt, sodass der thermische Widerstand sinkt und die Leistungsdichte um über 30 Prozent steigen kann. Die flexible Platine mit der flächigen Chipkontaktierung anstelle von Bonddrähten verbessert die Zuverlässigkeit um den Faktor 10 im Vergleich zu klassischen Aluminium-Bonddrähten (Bild 2).

Die unzerstörbare Sinterverbindung zwischen Chip und flexibler Platine ist der entscheidende Unterschied im Vergleich zur Ultraschallschweißung des Aluminium-Bonddrahtes. Mittels der so genannten »SKiN«-Technologie hat Semikron ein komplettes leistungselektronisches System ohne Lot und Wärmeleitpaste realisiert. Diese Folientechnologie bietet zusätzliches Potenzial für technische Weiterentwicklungen.

Stromsensorik und Gate-Ansteuerung lassen sich zukünftig im Rahmen einer 3D-Integration auf der Oberseite der flexiblen Platine integrieren. Durch die gute thermische Kopplung und die kurzen Schaltwege lässt sich die Performance der Leistungselektronik weiter erhöhen. Mit der SKiN-Technologie könnte es möglich sein, Umrichter um bis zu 50 Prozent zu verkleinern und damit neue Anwendungsfelder zu erschließen.