Passive Bauelemente Magnetics für GaN und SiC

Aufbau- und Verbindungstechnik

Bei hohen Schaltfrequenzen ist auch die Anbindung der magnetischen Bauelemente an den Halbleiterschalter wichtig. Was tut sich da?

Oliver Opitz: Ein Manko bei den Induktivitäten ist deren Anbindung nach außen an das Lötpad. Da hat man dann unter Umständen noch einen Clip, sodass es Schwachstellen durch das Anlöten oder Anschweißen des Drahts gibt. Dadurch entstehen zusätzliche Übergangswiderstände, die stören. Mit »WE-MAPI« haben wir bei Würth eine Technik entwickelt, bei der wir den Draht direkt nach außen führen – ohne Lötung, ohne Schweißung. Dadurch lässt sich das induktive Bauteil sehr niederohmig anbinden.

Da tut sich aber auch bei unseren Marktbegleitern sehr viel, das nimmt der Entwickler leider nicht so wahr. Nach außen sehen sie einfach nur ein grau-schwarzes Kästchen mit einem aufgedruckten Induktivitätswert – fertig. Und es ist unsere Aufgabe, unsere Kunden entsprechend zu beraten. Induktivitäten sind tatsächlich sehr beratungsbedürftig und beratungsintensiv, möchte man das Optimum aus ihnen herausholen.

Norbert Pieper: Wir sehen eher die Probleme – besonders bei größeren Induktivitäten – im Bereich Schock und Vibration. Stichwort Press-fit. Durch dieses Verfahren ist es sehr einfach, ein IGBT-Modul auf eine Leiterplatte zu montieren. Aber versuchen Sie das mal mit einem großen Speicherkondensator oder Transformator! Löten ist schon ein Problem für sich. Durch das viele Kupfer und den Magnetkern sind Induktivitäten gute Wärmesenken, was das Löten erschwert. Daher werden große Induktivitäten in anspruchsvollen Anwendungen mit hohen Temperaturen und hoher Vibrationsbelastung nicht aufgelötet, sondern aufgeklebt. Aber auch kleinere Bauelemente können ein Problem darstellen. Drosseln mit einer Grundfläche von vielleicht 50 mm x 50 mm können zum Geschoss werden, wenn sie schlecht aufgelötet sind. Daher müssen Induktivitäten irgendwie zusätzlich mit der Leiterplatte verbunden werden.

Und dann kommt wieder das Thema Kühlen. Wie kann ich die Induktivitäten bündig mit den Halbleitern ins System einbinden, um sie gemeinsam zu entwärmen?

Ein Thema, das bezüglich Aufbau- und Verbindungstechnik in den letzten Jahren immer wieder hochkocht, ist »Passive Embedding«. Ist das eine Option?

Dr. Jörn Schliewe: Die Aufbau- und Verbindungstechnik bietet eine schier unendliche Vielfalt an Möglichkeiten und wird eher von Kundenseite getrieben. Wir als Bauteillieferant müssen uns an dessen prozesstechnischen Möglichkeiten orientieren. Wenn der Kunde bei einer bestimmten Temperatur löten will, dann muss unser Bauteil eben dafür geeignet sein. Und wenn das beispielsweise bei einem großen Trafo nicht möglich ist, weil etwa die Löttemperatur zu niedrig oder die Lötdauer zu kurz ist, um das Bauteil zu durchwärmen, dann müssen wir unseren Kunden darauf hinweisen und im Dialog eine Lösung suchen. Entweder er kann länger oder heißer löten, wenn aber nicht, dann liegt es an uns zu überlegen, wie wir ein Bauteil schaffen können, das weniger thermische Masse hat, oder dass sich wenigstens die Lötpads gut erwärmen.

Ein Verfahren, mit dem wir gute Erfahrungen gemacht haben, ist das Laserschweißen. Dabei wird zunächst der Draht per Laser abisoliert und danach per Laser angeschweißt. Diese Verbindung ist sehr zuverlässig und temperaturstabil, eignet sich aber nur bis zu einer bestimmten Drahtdicke.

Norbert Pieper: Ein klassischer Vertreter für Passive Embedding ist doch der Planartrafo. Ein Trend, den wir beobachten, ist das 3D-Drucken von ferromagnetischen Materialen. Ich muss ja nicht unbedingt die beiden Teile des Ferritkerns zusammenkleben, sondern kann ihn auch auf die Leiterplattenoberfläche drucken.

Am Ende kommen wir wieder bei der Frage nach dem Preis an. Warum GaN? Warum SiC? Kostenreduktion, Systemverkleinerung. Und dann könnten die anderen Ideen – vielleicht sogar inklusive Luftspule – ein möglicher Weg sein.

Dr. Peter Friedrichs: Das Thema Anschlusstechnik betrifft die Kapazitäten ganz besonders, denn die große Baustelle ist deren niederinduktive Anbindung an die Schaltelemente. Jede Schraube eines Schraubanschlusses beispielsweise weist zehn Nanohenry auf. Induktivitäten sind da von Natur aus unkritischer.

Norbert Pieper: Außerdem verträgt ein Kondensator die hohen Temperaturen beim Löten nicht so gut.

Im Halbleiterbereich wird viel Innovation von kleinen Start-ups getrieben. Warum ist das bei passiven Bauelementen anders?

Dr. Jörn Schliewe: Ich sehe da drei Punkte. Als Erstes ist da der sinkende Preis für Induktivitäten. Dan Kinzer von Navitas hat auf seine Keynote bei der diesjährigen PCIM Europe eine interessante Folie aufgelegt. Er legte dar, dass der höhere Preis für die Halbleiter nicht so ins Gewicht falle, da sich die Kosten für die Induktivitäten halbiere. Und das ist kein attraktives Umfeld für innovative Start-ups!

Der zweite Punkt ist, dass Innovation in unserem Bereich nur über die Materialien zu schaffen ist. Das bedeutet, die Firma muss eine gewisse Größe haben oder Teil eines Konsortiums sein. Ein weiterer Weg wäre über Universitäten, die eine Förderung bekommen. Da muss man, ähnlich wie bei den Lithium-Ionen-Batterien, in die Grundlagenforschung einsteigen und abklopfen, wo da noch Potenzial vorhanden ist. In jedem Fall muss man bereit sein, eine Menge Geld in die Hand zu nehmen.

Noch ein dritter Punkt: Ich sehe im Bereich innovativer Start-ups gerade auch in Deutschland schon Potenzial, denken Sie nur an die verschiedenen Fraunhofer-Ausgründungen. Aber Risikokapital für ein solches Unterfangen aufzunehmen sehe ich nicht als gangbaren Weg. Wie gesagt, wenn ich für ein innovatives Produkt nur noch den halben Preis kriege, dann schreckt dies Geldgeber ab.

Norbert Pieper: Ich sag’s mal provokativ: Passive Bauelemente werden nicht in Foundries hergestellt. Im Halbleiterbereich kann irgendein Start-up an solche Foundries mit ihren bekannten Prozessen herantreten und einsteigen. Sie ändern einfach die Epi-Strukturen und die Fotolithografie-Prozesse. Prozessoren sind übrigens schon seit langem dort, wo die Leistungselektronik jetzt versucht hinzukommen. Auch wenn Halbleiterphysiker dem widersprechen, bei passiven Bauelementen bewegen wir zunächst einmal Material und die Prozesse sind komplexer und verschiedenartiger als bei Halbleitern.

Hinzu kommt, dass passive Bauelemente nichts kosten dürfen. Die aktiven schon, denn diese gelten als die Innovationstreiber. Da fallen die Passiven eben hinten runter. Keiner bedenkt dabei zunächst, dass Materialforschung sehr kostenintensiv ist.

Oliver Opitz: Wenn man sich Halbleiter-Start-ups anschaut, dann sind das oft führende Köpfe gestandener Halbleiterfirmen, die eine tolle Idee haben. Dabei verändern sie jedoch nur vorhandene Blöcke oder Prozesse in der Art und Weise neu, dass sie in einer Foundry fertigbar sind. Diesen Angriffspunkt haben wir in der Welt der Passiven nicht. Wir können die physikalischen Grenzen nicht überschreiten – jedenfalls nicht derzeit.

Dr. Peter Friedrichs: Ich bin mir nicht sicher, ob sich das Konzept der Start-ups am Markt tatsächlich durchsetzt. Wenn man die vielen verschiedenen deutschen GaN-Start-ups ansieht – wer ist übrig? Da ist nichts! Keiner mehr! Und in den USA sind die Firmen auch nicht mehr ohne einen größeren Partner unterwegs. Bei Siliziumkarbid ist es nicht anders. Heute wird das SiC-Geschäft von den Global-Playern der Leistungshalbleiterei getrieben. Start-ups können anfangs so etwas wie ein Inkubator sein, mehr aber aus meiner Sicht nicht.

Norbert Pieper: Die meisten Start-ups wurden irgendwann von den Großen aufgekauft. Natürlich forschen Letztere schon, aber in erster Linie, um ihr Kerngeschäft zu sichern. Start-ups arbeiten mit Risikokapital. Also: Das Geld ist da, es gibt Foundries, also können Start-ups gleich loslegen. Ein großes Unternehmen wird sich sagen: Ich forsche mal in diese Richtung, aber solange ich da keinen Markt sehe, wage ich mich nicht aus der Deckung.

Sehen Sie sich nur einmal den Markt für GaN und SiC im Vergleich zum Siliziummarkt an. Der ist im Moment noch verschwindend klein. Oder sehen Sie sich Googles »Little Box Challenge« an. Der Sieger war kein Großunternehmen, sondern ein innovatives Start-up, das sich mit den Details beschäftigt hat und über das entsprechende Risikokapital verfügte.