IGBT5-PrimePACK-Module für erhöhte Anforderungen Höhere Stromdichten bei unverändertem Bauraum

Steigende Betriebstemperaturen und ein robustes Modulgehäuse bei gleichzeitig steigender Lebensdauer unter hohen thermischen Wechsellasten sind Herausforderungen an künftige Leistungselektronik-Baugruppen. Infineon entwickelt dafür die nächste Generation der 1700-V-PrimePACK-Module mit IGBT5- und .XT-Aufbau- und -Verbindungstechnologie.

Weitere Reduzierung des Bauvolumens, die Verlängerung der Lebensdauer und die damit verbundene steigende Leistungsdichte erfordern die Entwicklung neuer innovativer Technologien. Typische Beispiele für diese teils gegensätzlichen hohen Anforderungen an die Leistungselektronik sind Windkraftanlagen für die regenerative Energiegewinnung. Alle verwendeten Baugruppen und Power-Module in diesen kommerziell genutzten Systemen müssen hohen elektrischen, mechanischen und thermischen Belastungen standhalten und darüber hinaus über Jahre ausfallfrei funktionieren. Mit der Verwendung der neuen .XT-Aufbau- und -Verbindungstechnologie erfüllen die Infineon-PrimePACK-Module diese deutlich gestiegenen Anforderungen.

Erreicht wird das zum einen durch die Verwendung neuer Materialien auf der Chipvorderseite wie Kupfer für die Bonddrahtverbindungen anstelle von Aluminium, zum anderen aber vor allem auch durch weiter entwickelte Verfahren für das Bonding. Das erst ermöglicht es, neue Materialkombinationen prozesssicher auch in der Hochvolumen-Serienproduktion einzusetzen. Einher mit dem Einsatz der .XT-Aufbau- und -Verbindungstechnologie gehen die kontinuierlichen Verbesserungen der dafür entwickelten neuen 1700-V-IGBT und Dioden-Si-Chips der 5. Generation. Beides zusammen stellt erstmalig in dieser Leistungsklasse den kontinuierlichen Betrieb bei erhöhter Sperrschichttemperatur mit Tvjop = 175 °C sicher und bietet damit das Potential einer deutlichen Leistungssteigerung ohne Einschränkungen bei der Lebensdauer des Moduls. Alternativ lässt sich bei unveränderter Ausgangsleistung des Stromrichters die Lebensdauer der Leistungshalbleiter in der Anwendung deutlich verlängern. Mit dieser Wahlmöglichkeit unterstützen die neuen PrimePACK IGBT5-Module viele Plattformen in der Leistungselektronik.

1700-V-IGBT5
 
Sowohl die IGBT-Chips der 4. als auch der neuen 5. Generation basieren beide auf der bewährten Trench-Field-Stop-Technologie. Darüber hinaus weisen die neuen IGBT5 eine dünnere aktive Siliziumschicht auf. Sie führt zu geringeren statischen und dynamischen Verlusten. Für die Abführung der hohen Verlustleistung, die im Fehlerfall eines Brückenkurzschlusses entsteht, weist die Vorderseite der 5. IGBT-Generation zusätzlich eine dicke Kupferbeschichtung auf – ein Ansatz, dessen erfolgreicher Beitrag zur Verlängerung der Kurzschlussfestigkeit bereits im Rahmen von PCIM-Konferenzen dargestellt wurde. Darüber hinaus ermöglicht die Kupferbeschichtung den Einsatz von Hochstrom-Bonddrähten aus Kupfer, die fester Bestandteil der neuen .XT-Verbindungstechnologie sind.

In Abbildung 1 ist der unterschiedliche Aufbau der IGBT-Chips der Generation 4 und 5 in einer schematischen Darstellung verdeutlicht. Mit der neuen Technologiegeneration ließen sich die Leistungsmerkmale des IGBTs noch einmal deutlich verbessern.

Abbildung 2 stellt die Ausgangskennlinien bei Raumtemperatur und bei der jeweiligen maximalen Betriebstemperatur dar. Auch für die IGBTs der 5. Generation (P5) zeigen die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannungen einen positiven Temperaturverlauf. Zudem führt die verbesserte vertikale Chipstruktur bei gleicher Chipgröße zu einer wesentlich geringeren Durchlassspannung (VCEsat). Diese signifikante Verbesserung ermöglicht eine deutliche Erhöhung der Stromdichte bei gegebener Grundfläche.

Für die Betrachtung im Gesamtsystem sind neben den statischen Verlusten durch die Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung auch die dynamischen Eigenschaften und vornehmlich die Schaltverluste von entscheidender Bedeutung. In Tabelle 1 sind die Kennwerte der 1700-V-P5-High-Power-Version mit einer 30 Prozent erhöhten Stromdichte mit der korrespondierenden 1700-V-P4-Vorgängerversion gegenübergestellt. Beide Versionen basieren auf der gleichen PrimePACK-Grundfläche. Tabelle 1 zeigt, dass der 1700-V-IGBT-P5 sogar bei einer um 25 K höheren Sperrschichttemperatur geringere Schaltverluste pro Ampere (Esw/A) aufweist als die vorherige Generation P4. Trotz der um 30 Prozent höheren Stromdichte zeigt der P5 bei derselben Sperrschichttemperatur (150 °C) wie der P4 die gleiche Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung und zusätzlich um ca. 10% reduzierte Schaltverluste. Diese Kennwerte verdeutlichen anschaulich das Potential der neuen Si-Chip-Generation.

Eine weitere entscheidende Anforderung, die bei der Bewertung neuer IGBT-Technologien berücksichtigt werden muss, ist die Charakteristik, die sich im Schaltbetrieb einstellt. Ein sanftes Schaltverhalten erleichtert einen EMV-freundlichen Betrieb und unterstützt damit mögliche Einsparungen passiver Komponenten wie Kondensatoren. EMV-kritische Arbeitspunkte sind für den IGBT bei hohem Abschalt-Stromniveau und gleichzeitiger niedriger Sperrschichttemperatur durch die sich einstellenden steilen Schaltflanken zu erwarten.

Abbildung 3 zeigt eine entsprechende für das neue IGBT5-PrimePACK gemessene Abschaltkurve. Auf nachdrückliche Weise belegen die Abschaltkurven, dass der 1700V-IGBT-P5 das Designziel eines sanften Abschaltverhaltens bei gleichzeitig reduzierten Abschaltverlusten erfüllt. Er ist damit auch für High-Power-Module mit Nominalströmen von 1800 A geeignet.