Neue Aufbautechnologie bei gelöteten Thyristormodulen
Neue Aufbautechnologie bei gelöteten Thyristormodulen #####
Fortsetzung des Artikels von Teil 1
Neue Aufbautechnologie bei gelöteten Thyristormodulen
SEMIPACK-Produkte wie Thyristor-, Thyristor-Dioden- oder Dioden-Module finden sich beispielsweise in Eingangsgleichrichtern (einphasig, dreiphasig, un-, halb- oder vollgesteuert) für Frequenzumrichter oder unterbrechungsfreien Stromversorgungen, (antiparallele) W1C-Thyristorschaltungen für Sanftanlaufgeräte, Lichtsteuerungen in Theatern oder Temperatursteuerung von Öfen.
Die Forderung nach erhöhter Zuverlässigkeit konnte durch den Verzicht auf Lötschichten in den Modulen der neuen Generation mehr als erfüllt werden. Die erhebliche Reduktion des thermischen Widerstandes und die Verbesserung der elektrischen Leistung mit höheren Ausgangsströmen und optimierten Stoßstrom-Grenzwerten garantieren eine bislang unerreichte Robustheit. (Frank Riemenschneider)
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Unter Last sind Lötverbindungen kritisch. Dies bedeutet, dass sich infolge der Materialermüdung nach Temperaturwechseln (10 000 Lastwechsel, ΔTj = 100 K) der thermische Widerstand erhöht und somit das Modul vorzeitig ausfallen kann. Bei Halbleiterkomponenten definiert der thermische Widerstand den Temperaturunterschied zwischen der Sperrschichttemperatur der Chips und einer vorgegebenen Bezugstemperatur bezogen auf die Leistung, die an der Chipoberfläche abgeführt wird [1]. Der veränderte Aufbau der neuen Generation bewirkt im Vergleich zu herkömmlichen Modulen eine erhebliche Reduktion des thermischen Widerstandes und garantiert eine erhöhte Zuverlässigkeit. Bild 2 veranschaulicht das Ergebnis von Messungen, denen zufolge der Wärmewiderstand von Modulen der neuen Generation um 33 % gegenüber der Vorversion reduziert werden konnte.
Ein spezifisches Merkmal von Leistungshalbleitermodulen ist, dass Strom und Wärme auf getrennten Wegen geleitet werden. Verschiedene Materialien wie Isolatoren, Leiterbahnen und natürlich Halbleiter müssen miteinander verschaltet werden. Wegen der unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (Coefficient of Thermal expansion, CTE) entstehen an den Verbindungspunkten der einzelnen Materialien während der Temperaturund Lastwechsel mechanische Spannungen. Diese Spannungen verhalten sich proportional zu den CTE-Differenzen der Materialien, der Länge der feststehenden Verbindungen und dem Temperaturhub ΔT. Deshalb muss die Auslegung der Module an die thermischen Anforderungen der jeweiligen Applikation angepasst werden [2]. Um die CTE-Unterschiede zwischen DCB und Halbleitermaterial in den neuen Modulen auszugleichen, wurde ein neuartiges Lötzinn verwendet.
Weil Lötverbindungen während der passiven Temperaturwechsel ermüdungsanfällig sind, wurden die Kontakte zwischen den Leistungsund Hilfsanschlüssen zur Leiterplatte über Federdruckkontakte realisiert (Bild 3). Diese Druckkontakttechnologie ermöglicht eine einfache Montage ohne zusätzliche Lötverbindungen und ist über ein breites Leistungsspektrum einsetzbar. Federkontakte sorgen nachweislich für erhöhte Zuverlässigkeit und damit für eine lange Lebensdauer und sind für Anwendungen in der Leistungselektronik optimal geeignet [3].
Optimierung der elektrischen Leistung
Die neue mechanische Konstruktion sorgt darüber hinaus für eine Verbesserung der elektrischen Eigenschaften. Die signifikante Reduzierung des Wärmewiderstandes ermöglicht eine Erhöhung der Ausgangsleistung. Außerdem verfügen die neuen Chips dank der verwendeten Rand-Gate-Thyristoren über eine größere aktive Fläche bei gleicher Chipgröße, durch die mehr Strom fließen kann. Der Ausgangsstrom konnte so um ca. 10 % erhöht werden.
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