Leistungselektronik
Neue Aufbautechnik für das Hybrid-Fahrvergnügen
Fortsetzung des Artikels von Teil 2
Neue Aufbau- und Verbindungstechnik
Die geforderte Robustheit von Leistungselektronik lässt sich in Zukunft allerdings ohne kostentreibende Überdimensionierung und umweltbelastende Lote erreichen. Anstelle der bisher zum Einsatz kommenden niedrig schmelzenden Lote lassen sich zuverlässige Verbindungen in Zukunft mit Silber herstellen. Dabei wird das Silber nicht wie beim Hartlöten aufgeschmolzen. Vielmehr nutzt man hier einen Diffusionseffekt, der sich bei sehr feinkörnigen Silberpulvern unter Druck und Temperatur einstellt. Schon bei den vom klassischen Weichlöten bekannten Temperaturen von über 200 °C und zusätzlichem Druck entsteht eine stoffschlüssige und äußerst widerstandsfähige Verbindung zwischen den Fügepartnern. Weil der Schmelzpunkt des Verbindungsmaterials bei weitem nicht erreicht wird, wird hier vom Niedertemperatursintern gesprochen.
Als zusätzlicher Effekt ist die Verbindung außerordentlich haltbar und thermisch und elektrisch hervorragend leitend. Eine weitere Herausforderung ist die Zuverlässigkeit der oberseitigen Kontaktierung von Leistungshalbleitern. Dabei bieten sich mehrere Alternativen zum klassischen Aluminium-Dickdraht an. Die naheliegende Alternative besteht darin, auch auf der Chip-Oberseite einen großflächigen Kontakt aufzulöten. Hier gelten jedoch die gleichen Einschränkungen wie bei den übrigen Lötverbindungen: Alle bleifreien Lote sind in Gefahr, wenn die Chip-Temperatur 175 °C oder mehr beträgt. Für alle Volumenanwendungen gilt außerdem immer noch: Bleilote sind keine probate Lösung.
Um die Oberseitenkontaktierung der Leistungshalbleiter langlebig zu gestalten, kommen Kupfer-Bonddrähte zum Einsatz. Diese Bonddrähte lassen sich heute prozesssicher auf einigen Oberflächen bonden. Ihre Ermüdung setzt dann viel später ein und das Bauelement kann ohne Einschränkung bei höheren Temperaturen betrieben werden.
Versuche, die an der Fachhochschule Kiel, weiteren Forschungseinrichtungen und im Rahmen des Projektes „ProPower“ [3] mit verschiedenen Unternehmen der Automobil- und Zulieferindustrie durchgeführt wurden, bewiesen, dass die Lastwechselfestigkeit von kupferdrahtgebondeten Leistungsmodulen [4] um mehr als eine Zehnerpotenz verbessert werden kann. Vergleichsmaßstab ist die Standardtechnik mit Aluminium-Dickdraht. Leider fehlen heute noch Halbleiter, die als Serienprodukt über eine starke Kupfermetallisierung verfügen. Als Ausweg wurde nun eine Zwischenschicht eingeführt, die kostengünstig einen herkömmlichen Halbleiter in ein kupferdrahtbondbares Bauelement verwandelt.
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