Aufbau- und Verbindungstechnik

Mit Simulation & Design-Regeln zu besseren Power-Modulen

15.06.17 | Autor / Redakteur: Michael Schleicher * / Gerd Kucera

Bild 1: Siliziumkarbid-Leistungsmodul für 400 A und 1200 V mit den Abmessungen von zwei Streichholzschachteln nebeneinander.
Bild 1: Siliziumkarbid-Leistungsmodul für 400 A und 1200 V mit den Abmessungen von zwei Streichholzschachteln nebeneinander. (Bild: SEMIKRON)

Ein neuer AVT-Ansatz mit verbesserter Gehäuse- und Chip-Technologie reduziert die Modul-Induktivität und integriert den Chip zwischen einer flexiblen Leiterplatte und dem DCB-Substrat. Anwendungsbereiche wie Photovoltaik, Medizintechnik und Induktionsschweißen verlangen nach schnell schaltenden SiC-MOSFET-Leistungsmodulen.

Zwei wesentliche Herausforderungen ergeben sich aus dem Design derartiger Hochstrom-Leistungsmodule: Erstens muss aufgrund der hohen Schaltgeschwindigkeit von SiC-Anwendungen der Kommutierungskreis auf Werte deutlich unter 5 nH reduziert werden. Zweitens müssen mehrere Chips parallel geschaltet werden. Dies wird durch symmetrische Chip-Anordnung und Leitungsführung innerhalb des Leistungsmoduls erreicht.

Unter Verwendung des Direct-Pressed-Die-Konstruktionsprinzips (DPD) von SEMIKRON ist ein besonders niederinduktiver Modulaufbau möglich. Diese SiC-MOSFET-Module ermöglichen weiter gesteigerte Ausgangsleistung und Leistungsdichten in Kombination mit Schaltfrequenzen bis 100 kHz bei minimalen Verlusten und maximaler Effizienz. Der Aufwand für passive Filterkomponenten lässt sich durch die Erhöhung der Schaltfrequenz stark reduzieren; somit verkleinert sich die Anwendungsschaltung deutlich. Beispielweise sind zusätzliche Dämpferkondensatoren nicht mehr erforderlich.

Die Verlustleistung wird gleichzeitig reduziert, was im Allgemeinen zu geringerem Kühlaufwand und kleineren Kühlkörpern führt. Beide Vorteile bewirken eine deutliche Senkung der Systemkosten. SEMIKRON ist damit in der Lage, Module mit einer Größe von etwa zwei Streichholzschachteln nebeneinander (95 mm x 50 mm x 15 mm) und einer Leistung von bis zu 80 kW in 1200 V zu entwickeln.

Design-Herausforderungen bei Hochleistungsanwendungen

Bei Hochleistungsanwendungen gibt es vielfältige Beschränkungen wie Sicherheit, Stromdichte (über 100 A/mm2) und Betriebstemperatur (Tjunktion_SiC: 175 °C), die sich von Anwendungen mit geringer Leistung unterscheiden. Gemeinsame Anforderungen wie Miniaturisierung und Kostensenkung gelten weiterhin.

Der neue Ansatz besteht darin, eine flexible Leiterplatte gleichzeitig auf der Oberseite der Chips und angrenzenden DCB-Schichten zu sintern, um Drahtverbindungen zu ersetzen. Im selben Moment werden die Chips selbst auf die gleiche DCB-Schicht gesintert. Während Bonddrähte nur etwa 21% der gesamten metallisierten Chip-Oberfläche kontaktieren, weist die gesinterte flexible Leiterplatte eine Kontaktfläche von bis zu 85% auf.

Ebenso müssen Abstände für Luft- und Kriechstrecken eingehalten werden, um Kurzschlüsse bei Betriebsspannungen von 1200 V zu vermeiden. Die Aufbau- und Verbindungstechnologie wurde an die SEMIKRON-eigenen Montagetechniken angepasst; diese Design-Herausforderungen ließen sich erfolgreich in Entwicklungs- und Vorserienmuster umsetzen. Im nächsten Schritt wird eine neue Generation der SEMIKRON Power Module vorgestellt.

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