Höhere Leistung mit speziell auf die Automobiltechnik abgestimmten Halbleitergehäusen System-in-a-Package für Leistungshalbleiter

Halbleiter im Automobil müssen über lange Zeit bei hohen Temperaturen arbeiten, und dies bei Sperrschichttemperaturen, die kurzzeitig mehr als 200 °C ereichen können. Moderne Gehäuse verringern den thermischen Widerstand. Sie sorgen für eine bessere Wärmeableitung und damit für eine geringere Betriebs- und Sperrschicht-Temperatur.

Höhere Leistung mit speziell auf die Automobiltechnik abgestimmten Halbleitergehäusen

Halbleiter im Automobil müssen über lange Zeit bei hohen Temperaturen arbeiten, und dies bei Sperrschichttemperaturen, die kurzzeitig mehr als 200 °C ereichen können. Moderne Gehäuse verringern den thermischen Widerstand. Sie sorgen für eine bessere Wärmeableitung und damit für eine geringere Betriebs- und Sperrschicht-Temperatur.

Wie alle Elektronik unterliegt auch die Automobilelektronik dem Trend zur Miniaturisierung. Die gemeinsame Integration von Steuerlogik und Leistungsstufe in einem Gehäuse sorgt einerseits für kleinere Abmessungen. Andererseits steigen damit die Ansprüche an die Gehäuse, die ohnehin schon höchsten Anforderungen genügen müssen. Ein solches Halbleitergehäuse muss nicht nur über eine gute Wärmeableitung für den Leistungs-Chip verfügen, es muss auch den Steuer-Chip elektrisch von den hohen Spannungen und Strömen des Leistungs-Schaltkreises isolieren können. Durch den Trend zur Miniaturisierung ist die Wärmeabfuhr schwieriger in den Griff zu bekommen, denn die für die Wärmeableitung verfügbare Fläche schrumpft, während die abzuführende Leistung gleich bleibt oder sogar noch ansteigt.

Aber nicht nur die thermische Energie pro Bauteilvolumen steigt. Die Elektronikschaltungen stoßen auch in solche Einsatzgebiete innerhalb des Autos vor, wo höhere Temperaturen vorherrschen: vom Inneren des Getriebes (200 °C) über die Montage am Zündkerzenstecker (165 °C), den Motorraum (150 °C) bis hin zum Einsatz im relativ harmlosen Umfeld des Passagierraums (maximal 80 °C). Man geht davon aus, dass ein Auto im Laufe seines Lebens in etwa 6000 Kaltstarts bewältigen muss, wobei die Temperatur im Motorraum von –40 °C auf 150 °C ansteigen kann. Aufgabe des Gehäuses ist es auch, das Silizium vor den extremen Temperaturen der Umgebung und den damit verbundenen Beanspruchungen zu schützen.

Der Trend zur Miniaturisierung von integrierten Schaltungen und deren Einsatz bei höheren Umgebungstemperaturen setzen ein fundiertes Verständnis der thermischen Grenzwerte und der Wärmeableitung bei Leistungshalbleitern voraus. Nur so lässt sich sicherstellen, dass ICs auch in Zukunft mit der Zuverlässigkeit funktionieren, die die Automobilbranche voraussetzt. Das Halbleiter-Gehäuse ist mehr als nur ein reiner Chipträger und Verbindungselement zur Platine.

Thermische Einflüsse auf das Silizium

Höhere Temperaturen beeinträchtigen die Leistungsdaten von Leistungshalbleitern. Bei MOSFETs (Metall Oxide Semiconductor Field Effect Transistor) steigt der Drain-Source-Durchlasswiderstand RDS(on) mit zunehmender Temperatur, was wiederum in einer höheren Verlustleistung resultiert. Mit zunehmender Temperatur steigt auch die Drain-Source-Durchbruchspannung UDS(br), aber auch die Leckströme des Bauteils, wobei letztere exponentiell zunehmen. Gleichzeitig steigt die Schwellspannung (Threshold Voltage, Uth) mit zunehmender Temperatur, und es wird schwieriger, den MOSFET bei hohen Temperaturen wieder abzuschalten.

Bei PIN-Dioden (Positive Intrinsic Negative) sinkt die Durchlassspannung mit steigender Temperatur, es steigen Sperrverzögerungsladung (Reverse Recovery Charge, Qrr) und -zeit (Reverse Recovery Time, trr) mit zunehmender Temperatur. Bei PT-IGBTs (Punch Through – Isolated Gate Bipolar Transistor), wie sie beispielsweise in Zündsystemen zum Einsatz kommen, sinken die Sättigungsspannung UCE(sat) und die Schwellspannung mit zunehmender Temperatur. Steigen die Schaltzeiten bei der Ansteuerung induktiver Lasten, erhöhen sich Leckströme exponentiell mit zunehmender Temperatur und es steigt die Drain-Source-Durchbruchspannung.

Für Leistungshalbleiter stellt die Sperrschichttemperatur (Junction Temperature, Tj) den kritischsten Faktor dar. Die meisten Ausfälle beruhen darauf, dass Tj überschritten wird. Die Gleichung verdeutlicht den Zusammenhang zwischen Leistung und Temperatur:

ΔT = Rth {(Uein x Iein) + ∫ [U(t) x I(t)] dt}