IGBT-Module für Motorumrichter Auf die Verpackung kommt‘s an

Bei Hybrid- und Elektrofahrzeugen müssen kostengünstige Umrichtermodule sehr leistungsfähig, sehr effizient und zuverlässig sein. Es gilt, Drahtbonds zu vermeiden, die Montageausbeute zu steigern und die zur Fertigung von Power-Modulen erforderlichen Prozesse und Anlagen zu vereinfachen.

Hybrid- und Elektrofahrzeuge finden bei den Autokäufern zunehmende Akzeptanz. Dadurch bieten sich für die Elektronikindustrie enorme Chancen. Zwar beanspruchten über die letzten Jahre elektronische Bauelemente bereits einen immer größeren Anteil an der Materialliste von Fahrzeugen, doch könnte der Einsatz des Elektroantriebs der ultimative Schritt in Richtung einer Neuausrichtung des Autos als elektrisches System sein.

Ein entscheidender Bestandteil eines Hybrid- oder vollelektrischen Fahrzeugs ist das IGBT-Powermodul des Wechselrichters, mit dem der Antriebsmotor gesteuert wird. Ein typisches Modul enthält einen dreiphasigen Vollbrücken-Wechselrichter, der sechs IGBT-Schalter mit Freilaufdioden enthält (Bild 1). In jeder Schaltposition kann mehr als ein IGBT-Bauelement verwendet werden, um den erforderlichen Nennstrom und den Einschaltwiderstand zu erreichen.
Hat der Motor eine Nennleistung von 100 kW (das entspricht 134 PS), muss ein Modul mit einem Wirkungsgrad von hohen 97% immerhin mit Verlusten von ungefähr 3 kW überwiegend in Form von Wärme zurechtkommen. Diese Wärme muss effizient abgeführt werden, wenn das Modul entsprechend zuverlässig arbeiten soll. Moderne Fahrzeuge mit Verbrennungsmotoren haben hinsichtlich der Zuverlässigkeit hohe Standards gesetzt, denen Elektrofahrzeuge ebenbürtig sein müssen, damit sie von Endverbraucher akzeptiert werden.
Um die Zuverlässigkeit und die Nennleistung der Module zu erhöhen, kommen ungehäuste Chips, sogenannte Bare Dies, zum Einsatz sowie ein optimierter Modulaufbau. Durch diese Maßnahmen lassen sich die parasitären elektrischen Verluste und der Wärmewiderstand zwischen IGBT-Chips und der Grundplatte des Moduls minimieren.

Im Vergleich zu den Power-Modulen, die in der ersten Generation von Hybridfahrzeugen eingesetzt wurden, ist der typische thermische Aufbau heutiger Module wesentlich einfacher, was den Wärmewiderstand zwischen dem Chip und der Modul-Grundplatte minimiert (Bild 2). Die Grundplatte kann für eine Luftkühlung mit großen Rippen versehen sein, oder sie wird, was üblicher ist, mit einer Wasser-Glykol-Mischung gekühlt.
Was die IGBTs betrifft, so müssen Bausteine, die sich für moderne Hochleistungsapplikationen eignen, Ströme von 300 A und höher leiten können. Das führt zu großen Chipflächen von ungefähr 100 mm² oder mehr. Darüber hinaus werden die Bausteine der neuesten Generation auf gedünnten Wafern prozessiert, wobei die Dicke 100 µm oder weniger beträgt. Das verkürzt die Pfadlängen für den Strom durch das Silizium auf ein Mindestmaß und erhöht die Einschalt-Performance weiter. Gleichzeitig reduziert sich die Zahl der Ladungsträger, was die Schalteffizienz steigert. Außerdem verbessern die gedünnten Chips die Wärmeabstrahlung.

Herausforderungen bei der Fertigung

Bei der Fertigung stellen derartige Chips die Modulhersteller allerdings vor große Herausforderungen, sodass die Ausbeute gering ausfallen könnte. Module werden normalerweise unter Verwendung ungehäuster IGBT-Chips zusammengebaut, um auf diese Weise jedweden gehäusebezogenen elektrischen Widerstand (DFPR, Die-Free Package Resistance) sowie den Wärmewiderstand des Gehäuses (Rth,JC) zu verringern und dadurch die Energieeffizienz sowie die Wärmeleistung zu verbessern. Große ultradünne Chips können zerbrechen, sowohl wenn sie aus den Trägern herausgenommen werden als auch während der nachfolgenden Weiterverarbeitung.
Man kann zwar spezielles Handling-Equipment verwenden, doch die großen Chip-Abmessungen können sich auch auf andere Weise negativ auf die Zuverlässigkeit auswirken, beispielsweise wenn die Module Wärmezyklen unterworfen werden. Die großen Chipabmessungen führen auch zu einem hohen Fehlabgleich des Ausdehnungskoeffizienten zwischen dem Chip und dem Modulsubstrat, wodurch gelötete Die-Attach-Verbindungen oder der Chip selbst hohen Belastungen ausgesetzt werden. Denn nach wiederholten Wärmezyklen neigen Die-Attach-Verbindungen dazu, sich zu verschlechtern, verbunden mit einer Erhöhung des Wärmewiderstands zwischen dem IGBT-Chip und dem Substrat. Das kann eine Überhitzung verursachen, die wiederum die Ausgangsleistung verringert und letzten Endes einen frühzeitigen Ausfall des Moduls zur Folge hat.
Die Auswirkungen von schlecht abgestimmten Ausdehnungskoeffizienten zwischen den in dem Aufbau vorhandenen Materialien lassen sich durch Auflöten des Chips auf ein Direktbond-Kupfer-Substrat (DCB, Direct Copper Bonding) vermindern. Bei dieser Bestückungsform verbinden Aluminium-Drahtbonds den Emitter des IGBTs mit den Modulanschlüssen (Bild 2). Im Allgemeinen werden mehrere dicke Drähte verwendet, deren Durchmesser normalerweise im Bereich von 0,25 mm bis 0,5 mm liegen. Zuverlässigkeitstests haben gezeigt, dass die Schnittstelle zwischen den Drahtbonds und der Metallisierung an der Oberseite für Materialermüdung anfällig ist und deshalb die Lebensdauer des Moduls begrenzt.
Die Modulhersteller sehen sich einer weiteren Herausforderung bezüglich der Produktivität gegenüber, die bei der Abschlussprüfung ans Tageslicht tritt: Im Normalfall können Leistungshalbleiter-Chips nicht bei vollem Betriebsstrom getestet werden, bevor sie gehäust werden. Deshalb lassen sich manche Fehlerarten, die mit dem ungehäusten Chip in Zusammenhang stehen, nur während des abschließenden Tests des zusammengebauten Moduls entdecken. Das kann zu verringerten Ausbeuten bei der Montage führen.
Bei »COOLiR²Die« handelt es sich um eine neue Gehäusetechnologie von International Rectifier, mit deren Hilfe sich die Nachteile von herkömmlichen Baugruppen mit ungehäusten Chips überwinden lassen sollen. Der Chip wird direkt auf ein DCB-Substrat aufgebracht, dessen Ausdehnungskoeffizient gleich dem von Silizium ist. Dieses Substrat stützt die Chips mechanisch, vermeidet die Notwendigkeit von Drahtbonds und erlaubt zudem eine doppelseitige Kühlung für eine erhöhte thermische Performance. Bausteine können auf Band gegurtet geliefert und unter Verwendung herkömmlicher SMT-Automaten bestückt werden.
Die Chip-Elektroden erhalten durch eine Silbermetallisierung ein Finish, 
durch das sie über eine Lötverbindung angeschlossen werden können. Herkömmliche drahtgebondete Module verwenden hingegen Chips, deren Oberflächenmetalli-sierung normalerweise aus Aluminium oder einer Aluminiumlegierung besteht. Über die erhöhte Zuverlässigkeit hinaus verbessert die Tatsache, dass Drahtbonds entfallen, auch die elektrische Performance. Der Widerstand zwischen den peripheren Kollektor-Bumps und den Elektroden auf der Chip-Rückseite liegt in der Größenordnung von 48 µΩ. Eine typische Verbindung unter Verwendung von sechs 0,5 mm dicken Aluminium-Drahtbonds würde einen Gesamtwiderstand von über 140 µΩ aufweisen.

Flip-Chip- und Die-up-Konfiguration

Bei Einsatz dieser Gehäusetechnologie können IGBTs entweder in einer Flip-Chip- oder einer Die-up-Konfiguration hergestellt werden, bei welcher der Chip nach oben weist. Die Flip-Chip-Variante (Bild 3, links) besteht aus einem IGBT und einer Diode, die beide umgedreht sind, sodass Gate und Emitter des IGBTs und die Anode der Diode an das DCB-Substrat angeschlossen sind. Als Die-Attach-Material eignet sich ein Lot mit hohem Bleianteil oder ein gesintertes Silbermaterial für bleifreie Anwendungen. Emitter und Gate des IGBTs sowie die Anodenverbindungen der Diode sind an die peripheren Kontakte angeschlossen, die durch die leitenden Bahnen des DCB-Substrats gebildet werden. In der Die-up-Konfiguration (Bild 3, rechts) zeigen die Emitter- und die Gate-Elektroden nach oben (daher die Bezeichnung Die-up), während der IGBT-Kollektor sowie die Kathode der Diode mit den peripheren Kontakten verbunden sind.

Nachdem sowohl die Flip-Chip- als auch die Die-up-Konfiguration zur Verfügung steht, sollen Modulhersteller auf effiziente Weise Halbbrücken- oder Vollbrückenschaltungen bauen können, indem sie den Emitter des Flipped-Die-IGBTs mit dem Kollektor des Die-up-Bausteins durch das Kupfer des Modul-DCB-Substrats verbinden (Bild 4).
Das DCB-Substrat des COOLiR²Die hat mehrere Funktionen. Einerseits stützt es die ultradünnen Chips mechanisch, andererseits verbindet es die Elektroden mir der Chipoberfläche und den peripheren Anschlüssen des Gehäuses sowohl niederohmig als auch niederinduktiv. Außerdem isoliert es den Chip und die Gehäuserückseite elektrisch. Der dielektrische Kern des DCB-Substrats kann aus Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) oder Siliziumnitrid (Si3N4) bestehen. Die Auswahl und die Dicke des Materials hängen sowohl von den Kosten als auch von den Anforderungen an das Wärmeverhalten und die Zuverlässigkeit ab. Al2O3 ist ein verhältnismäßig kostengünstiges Dielektrikum mit einem niedrigen Ausdehnungskoeffizienten, der nahe an dem von Silizium liegt, während der Ausdehnungskoeffizient von AlN und Si3N4 noch enger mit dem von Silizium übereinstimmt, allerding kosten sie mehr.

Wenn der Chip mit dem DCB-Substrat verbunden ist, stellen die Elektroden der IGBTs und der Dioden sowie die leitenden Bahnen des DCB-Substrats einen thermischen Pfad mit niedrigem Wärmewiderstand zwischen dem Chip und der Gehäuseoberseite bereit. Da die Oberseite des Gehäuses elektrisch isoliert ist, können Modulhersteller die thermische Performance dadurch weiter verbessern, dass sie eine Anordnung wählen, wie sie in Bild 5 vorgeschlagen wird. In dieser Struktur dient der Moduldeckel als Heatspreader, der mithilfe eines thermischen Schnittstellenmaterials (Thermal Interface Material, TIM) an die Gehäuseoberseite gekoppelt ist.
Der Herstellungsprozess des COOLiR²Die-Bausteins umfasst einen Hochstromtest, je nach der Chipgröße bei bis zu 500 A oder auch mehr, falls erforderlich. Das hilft Kunden, die Modulausbeuten zu steigern, wenn sie mehrere Chips auf Wechselrichtersubstrate montieren.
Ein herkömmlicher SMT-Bestückungsautomat kann das Bauelement mit den peripheren Anschlüssen sowie IGBT- und Dioden-Elektroden verkehrtherum platzieren, sodass sie auf das DCB-Substrat des Moduls gelötet werden können. Die Baugruppe wird dann Reflow-gelötet. Für Hochleistungsapplikationen, die eine Lunkerfreiheit des Lots von 3% bis 5% oder weniger erfordern, wird ein Vakuum-Reflowprozess empfohlen.

Über den Autor:

Dr. Mark Pavier ist Director Design & Integration bei International Rectifier.