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Yole Développement / Power-Module

Elektromobilität bestimmt zunehmend das Packaging

24. März 2020, 9:00 Uhr | Ralf Higgelke

Dieses beidseitig gekühlte Power-Modul der dritten Generation von Hitachi liefert die Antriebsenergie für den Audi e-tron.

Laut den Marktforschern von Yole Développement wird die Elektromobilität den technologischen Fortschritt bei den Power-Modulen in den nächsten Jahren bestimmen. Über 40 Prozent des 6 Milliarden US-Dollar großen Marktes sollen im Jahr 2024 auf diesen Bereich entfallen.

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Sowohl die Umweltauflagen, mit denen die CO₂-Emissionen reduziert werden sollen, als auch die anderen Trends im Automobilbereich sprechen dafür, dass die Autos stärker elektrifiziert und schneller am Markt eingeführt werden. Das Leistungselektronik-Team von Yole Développement erwartet daher, dass der Markt für Elektro- und Hybridfahrzeuge bis 2024 eine Anzahl von 24 Millionen Stück erreichen wird.

»Das Power-Modul ist ein Schlüsselfaktor bei der Entwicklung von Leistungswandlern und -umrichtern«, betont Dr. Milan Rosina, Principal Analyst, Power Electronics & Batteries bei Yole. »Wir bei Yole erwarten, dass dieser Markt bis 2024 auf ein Volumen von 6 Milliarden US-Dollar erreichen wird, wobei die mittleren jährlichen Wachstumsrate (CAGR) von 6,6 Prozent beträgt.«

»In der Vergangenheit war das Packaging von industriellen Anwendungen geprägt«, kommentiert Amine Allouche, Junior Costing Analyst bei System Plus Consulting, einer Tochterfirma von Yole. »Aber die Zeiten haben sich geändert, und der heutige Markt wird zunehmend von Elektro- und Hybridfahrzeugen dominiert. Bis 2024 wird dieses Segment zweifellos der größte Markt für Power-Module sein.«

Durch die steigende Batteriekapazität wird sich auch die Reichweite von Elektroautos erhöhen, während leistungsstarke Elektromotoren für eine kraftvollere Beschleunigung sorgen. Der hohe Bedarf an elektrischer Leistung sowie die Notwendigkeit, die Umrichter zu verkleinern, bringen neue Herausforderungen bei den Power-Modulen mit sich.

Aufbau- und Verbindungstechnik im Fokus

Die Entwicklung der Technologien haben die Analysten von Yole in einem speziellen Bericht mit dem Titel Status of the Power Module Packaging eingehend analysiert. »Wesentliche Technologietrends hängen mit den Substraten sowie der Aufbau- und Verbindungstechnik der Power-Module zusammen«, erklärt Shalu Agarwal, Technologie- und Marktanalyst bei Yole.

Anwendungen im Bereich der Elektro- und Hybridfahrzeuge bestimmen zunehmend die technologischen Trends beim Packaging von Power-Modulen, denn dort sind eine hohe Leistungsdichte und äußerst zuverlässige Packages für Power-Module unverzichtbar. Parallel dazu forciert die Einführung von Siliziumkarbid die Entwicklung neuer Packaging-Lösungen, da SiC-Bauelemente höhere Sperrschichttemperaturen und höhere Schaltfrequenzen bei kleineren Chipgrößen ermöglichen.

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Zweifelsohne bewegen sich die Packaging-Lösungen für Power-Module hin zu immer leistungsfähigeren Werkstoffen. Gleichzeitig sinken die Anzahl der Lagen und der Schnittstellen sowie deren Abmaße, während die elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften bewahrt bleiben müssen.

Als Substrat kommt meist eine DBC-Substrate (Direct Bonded Copper) aus Al₂O₃ für Power-Module zum Einsatz. Wie aus dem Yole-Bericht hervorgeht, wendet sich die Industrie zunehmend Werkstoffen zu, die mechanisch stabiler und thermisch besser leitfähig sind. Deshalb findet das AMB-Keramiksubstrat Si₃N₄ (Active Metal Brazed) zunehmend Verwendung für leistungsstarke Silizium- und SiC-Leistungsmodule. Andererseits ist IMS (Insulated Metal Substrate) eine Alternative zu bruchempfindlichen Keramiksubstraten für Komponenten mit niedriger und mittlerer Leistung.

Um das Gehäuse des Power-Moduls thermisch stabiler zu machen und die Vorteile von Siliziumkarbid auszunutzen, ist eine zuverlässige und robuste Chipbefestigung unerlässlich. Aus diesem Grunde wird immer häufiger das Silbersintern eingesetzt.

Darüber hinaus ist die Top-Side-Verbindungstechnik ein Schlüsselfaktor, der die Leistungsfähigkeit des Power-Moduls bestimmt. Auch wenn das Aluminium-Drahtbonden nach wie vor die Regel ist, wird Kupfer-Drahtbonden ebenfalls weite Verbreitung finden. Module ohne Drahtbonden mit flexiblen Verbindungen oder Top-Leadframes werden ebenfalls ein beträchtliches Wachstum erfahren, insbesondere im Bereich der Elektro- und Hybridfahrzeuge. Die doppelseitige Kühlung mit zwei Substraten bzw. Leadframes wird die Wahl der Packaging-Materialien stark beeinflussen. Dennoch werden viele Akteure auch einseitig gekühlte Power-Module mit einer Pin-Fin-Bodenplatte bevorzugen.

Analyse des Hitachi-Moduls im Audi e-tron

Um die technologische Weiterentwicklung aufzuzeigen, ist Hitachi ein gutes Beispiel. Dieses Unternehmen hat all diese zentralen Innovationen in seinem neuen doppelseitig gekühlten Power-Modul der dritten Generation integriert. Bei der Konstruktion verwendete Hitachi Silizium-IGBTs und -Dioden. Es kann sehr viel Wärme ableiten und ist hauptsächlich für Anwendungen in der Automobilindustrie bestimmt.

»Sowohl die Verwendung von Aluminium-Kühlkörpern als auch die umspritzte Platine und die integrierte Isolierschicht sind Teil der von Hitachi getroffenen Technologieauswahl«, kommentiert Dr. Elena Barbarini, Leiterin des Bereichs Devices bei System Plus Consulting. »Der technische Ansatz in Verbindung mit dem konkreten Design machen Hitachis Power-Modul in Bezug auf Leistungsfähigkeit, Integration und Kosten sehr attraktiv.«

In einer eingehenden Reverse-Engineering-Analyse und Kostenrechnung des Power-Modul von Hitachi, das im Umrichter des Audi e-tron integriert ist, erläutern die Analysten von System Plus Consulting in dem Bericht die Struktur des Power-Moduls. Unterstützt durch eine vollständige Demontage der Komponenten und des Gehäuses des Moduls zeigt dieser Bericht die zahlreichen Innovationen von Hitachi auf, insbesondere die Konstruktion des beidseitig gekühlten Moduls sowie das Design der IGBTs und Dioden. Dieser Bericht enthält auch eine Kostenschätzung für die Herstellung aller Komponenten des Moduls und eine Analyse des Verkaufspreises.

Darüber hinaus untersuchten die Analysten von System Plus Consulting konkurrierende Technologien, um zwischen verschiedenen doppelseitig gekühlten Automotive-Leistungsmodulen führender Unternehmen wie Toyota und Infineon vergleichen zu können. Diese Vergleiche verdeutlichen die von den einzelnen Akteuren getroffenen technologischen Entscheidungen, wobei ein besonderer Schwerpunkt auf dem Packaging-Design, den Chips und den Kosten liegt.