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Thermisch gealterte Silikongele in Leistungshalbleitermodulen

30. April 2025, 16:00 Uhr | Rosie Böhm

Thermisch gealterte Silikongele können wesentlich zur Effizienz und Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitermodulen beitragen. Sie behalten auch bei hohen Betriebstemperaturen ihre chemische Stabilität und mechanische Integrität. Erfahren Sie, welche Materialeigenschaften den Unterschied machen.

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Der verstärkte Einsatz von sogenannten Wide Band-Gap Halbleitern (WBG) wie Silizium-Karbid (SiC) anstelle der etablierten Silizium-basierten Bauelemente bietet das Potenzial für höhere Wirkungsgrade. Gleichzeitig bedeutet dies, dass die Gehäusetechnologien und -materialien angepasst werden müssen, um den erhöhten Anforderungen an die Betriebsbedingungen, wie höhere Temperaturen und rauere Umgebungen, gerecht zu werden.

Silikongele gelten aufgrund ihrer dielektrischen Eigenschaften, ihrer hervorragenden Versiegelungshaftung und ihrer Elastizität, insbesondere bei Drahtverbindungen, als das wichtigste Isoliermaterial für Leistungshalbleitermodule. Während des Betriebs sind die Silikongele thermischen Schwankungen unterworfen, die bei Langzeitbetrieb in rauen Umgebungen zu Veränderungen der Struktur und der Eigenschaften dieser Gele führen.

Für die Qualifizierung von Leistungsmodulen der nächsten Generation ist es von entscheidender Bedeutung, den Einfluss der thermischen Alterung auf die Materialeigenschaften zu verstehen. Derzeit fehlen umfassende Studien, die sowohl die Alterung bei niedrigen als auch bei hohen Temperaturen untersuchen, wie sie z. B. in Automobil- oder Bahnanwendungen mit großen Temperaturschwankungen auftreten. Diese Forschungslücke behindert die Entwicklung zuverlässigerer und langlebigerer Leistungshalbleitermodule. Durch eine gründliche Untersuchung der Materialreaktionen unter diesen extremen Bedingungen lassen sich die Leistung und die Lebensdauer dieser kritischen Komponenten verbessern.

Die Studie stellt die Ergebnisse der Charakterisierung von kommerziell erhältlichen Silikongelen dar, die einer thermischen Alterung bei hohen und niedrigen Temperaturen unterzogen wurden.

Fourier-Transformations-Infrarotspektroskopie (FTIR), Thermogravimetrische Analyse (TGA), Differential-Scanning-Kalorimetrie (DSC) und Härtemessungen wurden durchgeführt, um die Veränderungen der Eigenschaften der Silikongele bei verschiedenen Temperaturen zu bewerten. Die FTIR-Analyse half bei der Identifizierung der chemischen Veränderungen in den Silikongelen, während die TGA durch die Messung des Gewichtsverlustes als Funktion der Temperatur Einblicke in die thermische Stabilität der Gele lieferte. Mit Hilfe der DSC konnten thermische Übergänge wie Schmelz- und Kristallisationspunkte bestimmt werden, was ein besseres Verständnis des thermischen Verhaltens der Gele ermöglichte. Zusätzlich wurden Härtemessungen durchgeführt, um die mechanische Integrität und Festigkeit der Gele nach Einwirkung hoher und niedriger Temperaturen zu bestimmen. Zusammen lieferten diese Methoden eine umfassende Charakterisierung der Silikongele, die ihre Leistungsfähigkeit und ihre Grenzen unter thermischen Alterungsbedingungen aufzeigte.

Die wichtigste Erkenntnis aus den Messungen der Gelstärke ist, dass alle getesteten Gele, selbst diejenigen, die in ihren Datenblättern als Hochtemperaturgele angegeben waren, Schwierigkeiten hatten, ihre mechanischen und physikalischen Eigenschaften während der Alterung bei hohen Temperaturen beizubehalten. Die Verwendung dieser Gele in Gehäusen von Leistungshalbleitern, die hohe Temperaturen von bis zu 200 °C erzeugen, erfordert weitere Untersuchungen.

Jetzt die Studie lesen: https://ieeexplore.ieee.org/document/10653780.