Fraunhofer IISB / PCIM Keramisches Embedding für Wide-Bandgap-Halbleiter

Power module made with the Ceramic Embedding technology.
Power-Modul gefertigt mit der Ceramic-Embedding-Technologie des Fraunhofer IISB.

Der beschränkende Faktor in der Leistungselektronik ist oft das Gehäuse. Dies gilt insbesondere für die neuen Wide-Bandgap-Halbleiter. Wissenschaftler des Fraunhofer IISB haben ein neuartiges Aufbau- und Verbindungskonzept entwickelt, bei dem diese in keramische Schaltungsträger eingebettet sind.

Der Einsatz von Leistungselektronik in anspruchsvollen Anwendungsbereichen – etwa in Elektrofahrzeugen oder in der Luft- und Raumfahrt – stellt hohe Anforderungen an Schaltgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit. Konventionelle Aufbau- und Verbindungstechniken stoßen dabei häufig an ihre Grenzen.

Die fortschreitende Miniaturisierung, die 3D-Integration und die extremen Umgebungsbedingungen stellen zukünftige leistungselektronische Komponenten, Module und Systeme vor große Herausforderungen. Denn man erwartet sich von ihnen eine hohe elektrische Leistungsfähigkeit, große Zuverlässigkeit und lange Lebensdauer. Niedrige Kosten sind ein Schlüssel, der durch den Einsatz bei hohen Temperaturen möglich ist. Dies bedeutet eine kleinere Chips und einen geringen Kühlaufwand. Insofern lassen sich etablierte Aufbau- und Verbindungstechniken – z. B. auf Basis herkömmlicher Leiterplatten aus FR4 – nur bedingt anwenden, da sie nicht ausreichend thermisch stabil und stromtragfähig sind.

Abhilfe soll ein neuartiges Packaging-Konzept des Fraunhofer IISB schaffen, das auf der Einbettung von Leistungshalbleitern in keramische Schaltungsträger basiert. Die Wissenschaftler sind der Ansicht, dass ihr Design sehr temperaturstabil ist, einen Betrieb bei hohen Spannungen gewährleistet und hermetisch abdichtet, um eine maximale Lebensdauer in rauen Umgebungen zu gewährleisten. Auch das Problem der unerwünschten parasitären Induktivität lässt sich dadurch verbessern. Leistungsmodule, die auf diesem neuen Ansatz basieren, präsentiert das Fraunhofer IISB auf der diesjährigen PCIM Europe vom 7. bis 9. Mai 2019 in Nürnberg (Halle 6, Stand 438).

Bei der neuen Technologie – dem sogenannten Keramischen Embedding – werden die Leistungshalbleiter durch geeignete Die-Bonding-Techniken wie Löten oder Silbersintern in ein speziell vorbereitetes DBC-Substrat (Direct Bonded Copper) eingebettet. Anschließend werden alle Hohlräume mit einem hochtemperaturbeständigen Vergussmaterial verfüllt. Das so entstandene Prepackage bildet einen einfach zu handhabenden Grundbaustein der Leistungselektronik. Durch diese Konstruktion kann man mit dicken Kupferschichten arbeiten, sodass der Halbleiter mit hohen Strömen belastet werden kann. Ein großer Vorteil ist die große elektrische und thermische Kontaktfläche. Die Ober- und Unterseite des Halbleiters sind ideal miteinander verbunden, sodass diese winzigen Bauelemente ihre volle Leistung entfalten können.

Es eignen sich verschiedene Arten von keramischen Materialien wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid. Die Wahl hängt von den individuellen Anforderungen an die Optimierung des Wärmemanagements, von den mechanischen Eigenschaften und von den Kosten ab.

Um die Kavitäten und Rillen zu erzeugen, werden subtraktive Herstellungsverfahren eingesetzt. Die Durchkontaktierungen (Vias) für die elektrischen Kontakte bohrt ein Laser. Diese Durchkontaktierungen werden anschließend mit Silbersintermaterial oder ähnlichen leitenden Materialien verfüllt. Durch die Durchkontaktierungen lassen sich mehrlagige Keramiksubstrate herstellen. Diese sind besonders für niederinduktive Kommutierungszellen vorteilhaft.

Das Fraunhofer IISB forscht weiter am Keramischen Embedding und den dafür notwendigen Fertigungsprozessen. Ziel ist es, diese Aufbau- und Verbindungstechnik in die industrielle Produktion zu überführen.