900 Ampere zuverlässig in Bewegung – IGBT-Modulkonzept für das Automobil

Die Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes und nachhaltiges Wirtschaften stehen weltweit weit oben auf der Prioriätenliste. Ein Beitrag zur Lösung ist die möglichst weite Verbreitung von geregelten elektrischen Antrieben. Vor allem der Automobil-Sektor hat hier Nachholbedarf. Die derzeitig erhältlichen Leistungsmodule erfüllen jedoch nicht die dort gestellten Anforderungen. Abhilfe schafft hier ein speziell auf Automobil-Anwendungen abgestimmtes IGBT-Modul.

Die Reduzierung des Kohlendioxidausstoßes und nachhaltiges Wirtschaften stehen weltweit weit oben auf der Prioriätenliste. Ein Beitrag zur Lösung ist die möglichst weite Verbreitung von geregelten elektrischen Antrieben. Vor allem der Automobil-Sektor hat hier Nachholbedarf. Die derzeitig erhältlichen Leistungsmodule erfüllen jedoch nicht die dort gestellten Anforderungen. Abhilfe schafft hier ein speziell auf Automobil-Anwendungen abgestimmtes IGBT-Modul.

Umgebungsbedingungen

Umgebende Luft-40 bis +135oC
Kühlflüssigkeit-40 bis +105oC
Chip-Temperatur-40 bis +175oC
Vibration10 x 9,81m/s2
Schock50 x 9,81m/s2

Zuverlässigkeit

Lebensdauer15 Jahre
Lastwechsel30 000 Zyklen bei ΔT=100K
Temperaturwechsel1000 Zyklen bei ΔT=165K
Tabelle 1. Anforderungen an Leistungsmodule für den Einsatz in Fahrzeugen mit Hybridantrieb

Hitze, Schock und Vibration im Griff

Herkömmliche IGBT-Module, wie sie auch Semikron anbietet, sind auf einer 3 mm dicken Grundplatte aufgebaut, die als Basis dient (Bild 1). Auf diese Trägerplatte werden eine oder mehrere DCB-Substrate (Direct Bonded Copper) mit den eigentlichen IGBTChips sowie Anschlussterminals aufgelötet. Aluminium-Bonddrähte kontaktieren die Oberseite der Silizium- Chips mit dem Substrat.

Die Hauptausfallursache bei Temperaturwechselbelastung dieser herkömmlichen Module ist Ermüdung bzw. die Ausbreitung von Rissen in den Lotschichten. In Folge der Ermüdung steigt der thermische Widerstand des Moduls. Dieser Prozess beschleunigt sich selbst. Die Ursache für diese Ermüdung sind Änderungen der thermisch induzierten mechanischen Spannungen, die aufgrund der unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten entstehen, wenn die stoffschlüssig verbundenen Werkstoffe erwärmt und wieder abgekühlt werden. Je höher die Temperaturspanne ΔT ist, desto schneller schreitet dieser Prozess voran. Anforderungen, wie sie in Tabelle 1 zusammengefasst sind, können mit diesen Modulen nicht erreicht werden.