3D-Integration mit Hilfe keramikbasierender Fertigungsprozesse: Passives Embedding

Bild 1. Im Gegensatz zu anderen Kondensatortechnologien steigt beim Epcos CeraLink die effektive Kapazität mit steigender Spannung. Die Ripple-Spannungsbeaufschlagung verstärkt diesen Effekt zusätzlich.
Bild 1. Im Gegensatz zu anderen Kondensatortechnologien steigt beim Epcos CeraLink die effektive Kapazität mit steigender Spannung. Die Ripple-Spannungsbeaufschlagung verstärkt diesen Effekt zusätzlich.

Embedding und Integration passiver elektronischer Bauelemente machen dank neuer Materialien, Technologien und Miniaturisierung große Fortschritte. Mit eigens für das Einbetten konzipierten Bauelementen und Integrationstechnologien lassen sich Systeme immer kompakter entwickeln und gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit steigern.

Bei passiven Bauelementen entscheiden oft Kriterien wie Abmessungen und der Grad ihrer Robustheit gegenüber Weiterverarbeitungsprozessen darüber, ob sie sich für Embedding und bestimmte Integrationstechnologien eignen. TDK ermöglicht hier mit geeigneten Kondensatoren und Thermistoren sowie diversen Integrationsmethoden technologisch anspruchsvolle Lösungen.

Kondensatoren einbetten

Für IGBT-Module auf Si- und SiC-Basis in der mittleren Leistungsklasse werden traditionell externe Snubber-Kondensatoren eingesetzt. Durch das Embedding der Kondensatoren könnten hier insbesondere lange Leitungswege, die mit parasitären Induktivitäten behaftet sind, deutlich verkürzt werden. Allerdings war ein Embedding dieser Bauelemente bisher nicht möglich, da diese – ganz abgesehen von ihren Abmessungen – nicht die erforderliche Hitzebeständigkeit für die Fertigungsprozesse des IGBT-Chip aufweisen. Darüber hinaus bieten einige Exemplare nur geringe Kapazitätswerte pro Volumen und sind bei hohen Nennspannungen mit erheblichem Kapazitätsverlust behaftet. 

Mit dem Epcos CeraLink allerdings existiert ein gänzlich neuer Kondensatortyp, der keinen dieser Nachteile mit sich bringt. Die CeraLink-Technologie basiert auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate). Im Gegensatz zu konventionellen Keramik-Kondensatoren liegt beim CeraLink das Kapazitätsmaximum bei der Einsatzspannung und steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung (Bild 1).

Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Isolationseigenschaft. Die Entladezeitkonstante τ liegt bei 70.000 ΩF bei 25 °C und selbst bei 150 °C fällt dieser Wert nur wenig ab. Dadurch wird das gefürchtete, sich selbst verstärkende Thermal Runaway ausgeschlossen. Auch die parasitären Beiwerte sind sehr gering: So liegt der ESR in der Größenordnung 50 mΩ bei 100 kHz und fällt bei 1 MHz auf nur noch 10 mΩ, wodurch sich sehr geringe Verluste ergeben.

Der ESR-Wert sinkt mit steigender Temperatur noch weiter: Bei 85 °C liegt er bereits unter 20 Prozent des ursprünglichen Werts, den er bei 25 °C hat. Damit ergeben sich Lade- bzw. Entladezeiten zwischen 25 und 30 ns. Die ESL-Werte der CeraLink-Kondensatoren liegen bei unter 5 nH, wodurch sich diese Technologie besonders für schnell schaltende Inverter eignet.