900 Ampere zuverlässig in Bewegung – IGBT-Modulkonzept für das Automobil

900 Ampere zuverlässig in Bewegung – IGBT-Modulkonzept für das Automobil

Aufgrund dessen, dass das Substrat an sehr vielen Stellen auf den Kühlkörper gedrückt wird, kommt es zu keinem Bimetalleffekt. Das Substrat liegt flach auf dem Kühlkörper auf. Die Schicht aus Wärmeleitpaste kann mit 20 µm sehr viel dünner sein als bei herkömmlichen Modulen mit Grundplatte (typ. 100 µm Wärmeleitpaste), so dass trotz der im Vergleich geringeren Wärmespreizung das gleiche thermische Verhalten erreicht wird.

Zukünftig will Semikron sogar gänzlich auf die Chip-Lötung verzichten: Anstatt den Chip auf das Substrat zu löten, wird er bei den beiden SKiM-Modulen mittels einer Niedertemperatur-Sintertechnik [3] aufgebracht. Bei dieser Verbindungstechnik besteht die Verbindungsschicht aus Silber. Wegen der hohen Schmelztemperatur des Silbers von 960°C treten die typischen Ermüdungserscheinungen von Lotschichten (Schmelztemperatur unter 300°C) nicht auf. Damit sind SKiM-Module komplett lotfrei.

Um die gestellten Anforderungen bezüglich der Temperaturbeständigkeit des Gehäuses bestehen zu können, ist der Einsatz neuester Industriekunststoffe erforderlich. Für das SKiM-Modul hat Semikron ein Polyamid mit einem CTI (Comparative Tracking Index) >600 und einem RTI (Relative Temperature Index) von 150°C gewählt.

IGBT – Dioden-Chipsatz

SKiM 63

SKiM 93

Rthjs IGBT

0,14 K/W

0,95 K/W

Rthjs Diode

0,27 K/W

0,18 K/W

IC nom, 600V

600 A

900 A

IC nom, 1200V

300 A

450 A

Ieff, 600V

280 A

410 A

Ieff, 1200 V

165 A

250 A

Tabelle 2. Elektrische Parameter der Module SKiM 63 und SKiM 93

Literatur:

[1] Scheuermann, U.; Hecht, U.: Power Cycling Lifetime of Advanced Power Modules for Different Temperature Swings. PCIM, Nürnberg 2002.
[2] Beckedahl, P.; Tursky, W.; Scheuermann, U.: Packaging considerations of an Integrated Inverter Module for Hybrid Vehicles. PCIM, Nürnberg 2005.
[3] Goebl, C.; Beckedahl, P.; Braml, H.: Low temperature sinter technology – Die attachment for automotive power electronic applications. APE Conference, Paris 2006.
[4] Demuth, V.; Häupl, K.; König, B.; Nichtl- Pecher, W.: CAL 4: The next Generation 1200V Freewheeling Diode. PCIM China, 2007.

Christian Daucher studierte Elektrotechnik an der Universität in Braunschweig und arbeitete dort im Anschluss für drei Jahre als Wissenschaftlicher Mitarbeiter. Seit 1999 ist er Produktmanager bei der Firma Semikron; zwischen 2004 und 2005 war er als „Expatriate“ bei Semikron Japan tätig.
Christian.Daucher@semikron.com

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Für das Modulkonzept SKiM (Semikron integrated Module) ist die SKiiP-Technologie konsequent weiterentwickelt worden, um langzeitzuverlässige und höchst kompakte Module realisieren zu können. Die Module SKiM 63 und SKiM 93 sind die ersten beiden Module dieser Art, die auf der SKiiP-Technologie basieren und bereits als Prototypen zur Verfügung stehen. Sie wurden speziell für elektrisch betriebene Fahrzeuge mit hohen Ansprüchen an die elektrische Leistungsdichte sowie an die Umgebungsbedingungen entwickelt.

Beim SKiM handelt es sich um ein Sixpack-Modul, das drei unabhängige Halbbrücken in einem gemeinsamen Gehäuse unterbringt. Jede Halbbrücke ist mit einem eigenen NTC-Temperatursensor ausgestattet. Die DC- und AC-Hauptanschlüsse sind – wie heute üblich – 17 mm hoch ausgeführt und auf den gegenüberliegenden Seiten des Moduls angeordnet. Auf der Oberseite befinden sich die Steueranschlüsse. Die Treiberplatine wird lötfrei über Federkontakte angeschlossen, so dass man auch hier konsequenterweise keine anfälligen Lötverbindungen hat.

Die Grundflächen der beiden Module liegen bei 114 × 160 mm2 im Falle des SKiM 63 (Bild 3) und bei 150 × 160 mm2 im Falle des SKiM 93. Bild 2 zeigt, wie die Verschienung der Hauptanschlüsse neben und zwischen den Chips lötfrei auf das DCB-Substrat drückt. Dieser Aufbau führt zu einer sehr geringen parasitären Modulinduktivität.