IGBT-Modularchitektur für mittlere Leistungen Federn statt Grundplatten bei IGBT-Modulen

Gerade im großen Markt für mittlere Leistungen bietet die Leistungselektronik die Chance, die Energieeffizienz deutlich zu erhöhen und damit einen erheblichen Beitrag zur Energieeinsparung zu leisten. Das vorgestellte intelligente 600-V-IGBT-Leistungsmodul mit hoher Integrationsdichte vereinfacht...

IGBT-Modularchitektur für mittlere Leistungen

Gerade im großen Markt für mittlere Leistungen bietet die Leistungselektronik die Chance, die Energieeffizienz deutlich zu erhöhen und damit einen erheblichen Beitrag zur Energieeinsparung zu leisten. Das vorgestellte intelligente 600-V-IGBT-Leistungsmodul mit hoher Integrationsdichte vereinfacht den Einsatz durch einfache Montage. Der integrierte SOI-Treiber ist immun gegen Verschiebungen des Bezugspotentials und bietet so eine hohe Zuverlässigkeit für Antriebsleistungen bis 15 kW.

Im Bereich kleiner Leistungen unter 2 kW haben integrierte Bauformen im letzten Jahrzehnt einen großen Marktanteil gewonnen und diskrete Bauformen weitgehend verdrängt. Unter der Familienbezeichnung IPM (Intelligent Power Module) versteht man in diesem Leistungsbereich meist dreiphasige Wechselrichterschaltungen mit integrierten Treibern, die auf einen Leadframe gelötet werden und mittels Transfer-Mold-Verfahren verpackt werden.

Für höhere Leistungen muss das Vermögen der Wärmeabführung jedoch deutlich gesteigert werden, was in diesen Bauformen nicht ausreichend gelingt. IPMs für große Leistungen, bei denen Treiber auf einer konventionellen Leiterkarte (PCB) in klassische Module integriert werden, erfordern eine aufwendige, interne Verbindungstechnik und haben damit zu kämpfen, für die Treiberbauteile eine ausreichende Kühlung bereitzustellen. Im Bereich mittlerer Leistungen – Motorleistungen zwischen 2 und 15 kW – haben sich in den letzten Jahren CIB-Module (Converter-Inverter-Brake) etabliert, die alle Leistungsschalter mit hohem Kühlbedarf in einem Modulgehäuse vereinigen. Die MiniSKiiPBauform hat sich dabei besonders erfolgreich gezeigt, da sie ein anwenderfreundliches Montagekonzept mit fortschrittlicher Aufbau- und Verbindungstechnik vereint.

Module mit Federkontakten und ohne Grundplatte

Die klassische Aufbautechnik von Leistungsmodulen verwendet massive Kupferplatten als Grundplatte den gesamten Aufbau. Diese Grundplatten, üblicherweise 2 bis 3 mm dick , bringen durch die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten der Grundplatte und der keramischen Leistungssubstrate (Verbundplatten aus Kupfer, Keramik und Kupfer, nach dem Herstellungsverfahren bezeichnet als DCB – Direct Copper Bonding) Schwierigkeiten mit sich [1]: Nach dem Lötprozess entstehen mechanische Spannungen in der verbindenden Lotschicht, was eine Verbiegung des gesamten Systems zur Folge hat. Zwar lassen sich die dadurch erzeugten Hohlräume in der thermisch wichtigen Montageebene durch geeignete Formgebung der Grundplatte verringern, aber durch die viskoplastischen Eigenschaften des Lotes kommt es zu einer zeitabhängigen Relaxation, die den Biegungszustand verändert. Damit kann eine optimale Formgebung für die Grundplatte nicht für beliebige Zeitpunkte erreicht werden.

Bild 4 zeigt einen SOI-Treiber, auf dem die einzelnen Kanäle gekennzeichnet sind. Man erkennt deutlich die hochsperrenden DMOS-Transistoren und Dioden für die bipolaren Pegelwandler der TOP-Schalter.

Die Integration des HVIC erfolgt direkt auf der DCB des CIB-Leistungsmoduls. Dadurch können kurze Signalwege und somit geringe parasitäre Eigenschaften der Ansteuerpfade erreicht werden (Bild 5). Die DCB besteht aus 0,2 mm starken Kupferlagen auf beiden Seiten einer 0,38 mm dicken Al2O3-Keramik. Für die Führung der Ansteuersignale wird eine Steg- und Grabenbreite von 0,4 mm benötigt. Beim Aufbau werden zunächst die Leistungsbauelemente und der Temperatursensor aufgelötet. Anschließend werden der HVIC und SMD-Gatewiderstände mittels Leitkleben fixiert. Die Oberseitenkontakte der Leistungselemente werden mit einem 300-μm-Aluminium-Dickdrahtbond kontaktiert, wogegen der Treiber mit 50-μm-Al-Drahtbonds angeschlossen wird. Nach Abdeckung der Schaltung mit einem Silicon-Weichverguss wird das Substrat in das Gehäuse eingelegt, das bereits mit den Kontaktfedern bestückt ist. Nach Vernetzung des Weichvergusses ist das Modul fertiggestellt.

Ein großer Vorteil der Montage des Treibers direkt auf der DCB ist die gute Wärmeabfuhr. So kann für den ca. 4,9 mm × 3,1 mm großen Treiberchip ein Wärmewiderstand von etwa 4 K/W erreicht werden. In einem konventionellen SOP28-Gehäuse beträgt dagegen der Wärmewiderstand bei vergleichbarer Chipgröße ca. 75 K/W. Durch den geringen Wärmewiderstand kann die Ausgangsleistung der Treiberendstufen deutlich gesteigert werden. Nach einem Ausgangsstrom von 500 mA bei 15 V Ausgangsspannung in den ersten Prototypen kann daher der Ausgangsstrom in der nächsten Generation nochmals verdoppelt werden, was die Ansteuerung von Chips mittlerer Leistung verbessern wird. fr