Advanced Packaging Innovative Leiterplattentechnologie ermöglicht GaN Power-Packages

Das Fraunhofer IAF hat einen voll integrierten monolithischen Multilevel-Konverter in einer Hochvolt-AlGaN/GaN-on-Si-Technologie entwickelt. Das Schaltverhalten des Multilevel-Konverters wurde mit einem Testaufbau auf Basis der Embedding-Power-Technologie von AT&S demonstriert.

Die integrierte Inverter-Schaltung ist für maximale Spannungen von +/- 400 V und Ströme von 5 A ausgelegt. Der Multilevel-Wandler auf einer Fläche von nur 2 × 3 mm² beinhaltet vier Transistoren und sechs Dioden. Er ist eine ideale Lösung für kompakte Spannungswandler-Anwendungen. Der DC/AC-Inverter-Betrieb konnte bei amerikanischer Netzspannung gezeigt werden. Die Schaltung weist sehr kleine dynamische Verluste bei sehr hohen Frequenzen auf. Das ausgezeichnete Schaltverhalten des Multilevel-Konverters wurde mit einem Testaufbau auf Basis der ECP-Technologie von AT&S demonstriert.

Um den Chip zu evaluieren ist ein entsprechender Testaufbau erforderlich. Dabei ist das Packaging des „Dies“ ein wesentliches Kriterium. Im Fall von lateralen Bauelemente liegen Source-, Drain- und Gate-Pads auf einer Seite und die Rückseite des Dies wird zur Wärmeableitung genutzt. Da der konventionelle Ansatz mit Wirebonds Einschränkungen mit sich brachte, wurde im zweiten Schritt der Evaluierung die ECP-Technologie von AT&S genutzt. Bei dieser Technologie werden die Leistungsbauelemente – wie der Multilevel Konverter – in Leiterplattenmaterial eingebettet und können von beiden Seiten angebunden werden. Die Anbindung der Chips erfolgt direkt über verkupferte Micro-Vias. Damit werden niederohmige Verbindungen und deutlich geringere Induktivitäten im Vergleich zur Wirebond-Technologie erreicht. Die Rückseite des Dies, wird ebenfalls über verkupferte Mico- Vias angebunden. Dadurch ergibt sich eine hervorragende Wärmeableitung

„Wir sind begeistert von der ECP-Technologie von AT&S und sehen mit dieser Aufbautechnik völlig neue Möglichkeiten gerade auch bei komplexeren monolithisch integrierten GaN-Leistungsschaltkreisen, wie bei unserem Multilevel-Konverterchip,“ sagt Richard Reiner, Wissenschaftler beim Fraunhofer IAF. „Mit einer konventionellen Aufbautechnik konnten wir den leistungsfähigen Chip kaum einsetzen bzw. evaluieren.“

„Die Leistungselektronik ist ein wichtiger Anwendungsbereich und Fokus für die Embedding-Technologie von AT&S,“ betont Dietmar Drofenik, CEO der Business Unit Advanced Packaging bei AT&S. „Gerade für den Einsatz von Halbleitermaterialien mit großem Bandabstand, oder „Wide Bandgap Semiconductor“ Materialien, wie GaN ermöglicht die Embedding-Technologie innovative miniaturisierte Power-Packages für höhere Wirkungsgrade, bessere Wärmeabfuhr und höhere Leistungsdichten. AT&S hat beispielsweise zusammen mit Partnern bereits verschiedene GaN-Leistungsschaltungen realisiert, die sich durch ausgezeichnetes Schaltverhalten und hohe Effizienz auszeichnen.“