Silikongele 100% sicher vergossene Module auch nach 2000 Stunden bei 210 °C

Autor / Redakteur: Dr. Philipp Müller, Dr. Markus Jandke * / Gerd Kucera

Silikongele schützen filigrane Chips und Bondverbindungen etwa vor Feuchtigkeit und hochfrequenter Schwingung. Neue Halbleiter aus SiC und GaN haben besondere Anforderungen an den Verguss.

Firmen zum Thema

Bild 1: Durch den Verguss mit Silikongelen werden empfindliche elektronische Schaltungen wirksam und langzeitstabil gegen Korrosion und Alterung geschützt. Das Gel minimiert außerdem thermomechanische Spannungen und erhöht die dielektrische Isolationsfestigkeit der Leistungsbauteile.
Bild 1: Durch den Verguss mit Silikongelen werden empfindliche elektronische Schaltungen wirksam und langzeitstabil gegen Korrosion und Alterung geschützt. Das Gel minimiert außerdem thermomechanische Spannungen und erhöht die dielektrische Isolationsfestigkeit der Leistungsbauteile.
(Bild: Wacker Chemie AG)

Die sensiblen Elektronikbauteile und Leistungsmodule müssen während ihrer gesamten Lebensdauer wirksam elektrisch isoliert und vor vielfältigen Umgebungseinflüssen wie Feuchtigkeit, Schmutz, Korrosion, Vibration geschützt werden, um eine hohe Zuverlässigkeit im Betrieb sicherzustellen. Dazu werden Power-Module mit geeigneten Vergussmassen versiegelt. Silikone kommen in diesen Anwendungen bereits seit Jahrzehnten erfolgreich zum Einsatz. Durch den Verguss mit Silikongel werden empfindliche elektronische Schaltungen langzeitstabil gegen Korrosion und Alterung geschützt, thermomechanische Spannungen minimiert und die dielektrische Isolationsfestigkeit der Leistungsbauteile erhöht.

Bildergalerie

Im Vergleich zu organischen Vergussmassen besitzt Silikonkautschuk einen äußerst niedrigen Ionengehalt (kleiner 2 ppm), eine niedrige Wasseraufnahme (kleiner 0,1%), eine Durchschlagsfestigkeit von mehr als 20 kV/mm (Volumendurchgangswiderstande von größer 1014 Ωcm). Die dielektrischen Eigenschaften von Silikon sind über einen breiten Temperatur- und Frequenzbereich (10 bis 106 Hz) konstant. Vergussmassen wie beispielweise WACKER SilGel und SEMICOSIL des Münchner WACKER-Konzerns sind deshalb in solchen Anwendungen prädestiniert für den Einsatz als dielektrischer Isolator.

Im Aufbau von Leistungshalbleitern und -modulen werden eine Reihe verschiedener Materialien miteinander kombiniert, die unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten besitzen. Temperaturunterschiede während des Betriebs und zur Umgebung bewirken, insbesondere an empfindlichen Bauteilen wie Bonddrähten oder Halbleiterelementen, thermische Spannungen. Die Minimierung solcher Spannungen und Kräfte ist deshalb von großer Bedeutung, um die Ausfallsicherheit, Robustheit und Lebensdauer des Systems zu erhöhen.

Obwohl die Temperaturausdehnung typischer Silikon-Vergussmassen mit rund 300 x 10-6 m/mK fünf bis sieben Mal höher ist als bei organischen Vergussmassen, sind die thermischen Spannungen (aufgrund des um Dimensionen geringeren Elastizitätsmoduls von Silikon-Vergussmassen) signifikant kleiner. Der Elastizitätsmodul (kurz E-Modul) und damit auch die am Bauteil auftretenden Kräfte und Spannungen von WACKER SilGel und SEMICOSIL sind im Vergleich zu typischen organischen Vergussmassen um den Faktor 105 bis 106 niedriger. Der sehr geringe E-Modul in der Größenordnung von typischerweise kleiner 100 kPa (für Shore-00-Materialien) bzw. <10 kPa (weiche Silikongele) minimiert Spannungen, die in Folge von Temperaturwechseln, aber auch Vibrationen in den vergossenen Strukturen potenziell auftreten können (und das konstant über einen sehr breiten Temperaturbereich von -50 bis +180 °C).

Auch dies hebt WACKER SilGel und SEMICOSIL von typischen organischen Vergussmassen ab. Ihr E-Modul ist nicht nur um Größenordnungen höher. Bei organischen Vergussmassen liegen die Phasenübergänge üblicherweise im Anwendungstemperaturbereich, was wiederum den E-Modul unterhalb der Übergangstemperatur sprunghaft ansteigen lässt.

Zu den Anwendungen im Automobil- und Transportbereich gehören Steuergeräte für die Automobilelektronik, beispielsweise für die Motor-, Getriebe-, Lenkungssteuerung, aber auch innovative Fahrassistenz- und Bremssysteme oder komplette Leistungshalbleitermodule für Elektromotoren.

Tieftemperaturflexible Silikone

Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBT) werden beispielsweise in Traktionsanwendungen oder in elektrischen Antrieben zum Schalten hoher Ströme eingesetzt. Solche Komponenten müssen auch in kalten Regionen wie Kanada oder Sibirien, in denen die Temperaturen auf -60 °C fallen können, zuverlässig funktionieren.

Um die Zuverlässigkeitsanforderungen an die Leistungselektronik auch beim Kaltstart oder bei raschen Lastwechseln zu gewährleisten, müssen die spannungsdämpfenden Eigenschaften des Silikons auch unter solchen Bedingungen vollständig erhalten bleiben.

Ergänzendes zum Thema
Originalbeitrag als ePaper oder im pdf-Format lesen

Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik, Stromversorgungen und Energieeffizienz II erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Standard-Silikone aus der SEMICOSIL- und SilGel-Reihe können bis -50 °C eingesetzt werden. Bei Temperaturen unter -50 °C steigt der Elastizitätsmodul allerdings deutlich an. In solchen Fällen kommt es zu einer partiellen Kristallisation der Polydimethylsiloxan-Ketten, welche das chemische Rückgrat des Silikons bilden.

Dieser Effekt ist reversibel. Bei steigenden Temperaturen lösen sich die Kristalle auf und das Silikon erhält wieder seine ursprünglichen Eigenschaften.

Die Silikon-Industrie hat jedoch auch für extrem niedrige Temperaturen Lösungen entwickelt. Mit SEMICOSIL 920 LT und SEMICOSIL 900 LT bietet WACKER beispielsweise spezielle Tieftemperatur-Vergussmassen an, die ihr Elastizitätsmodul auch noch bis -110 °C beibehalten.

-110 °C ist die Glasübergangstemperatur von Polydimethylsiloxan. Diese Temperatur bildet somit eine physikalische Grenze. Bei noch tieferen Temperaturen verlieren Silikone endgültig ihre Elastizität.

Die Betriebstemperaturen steigen weiter stetig an

Während es sich bei der Tieftemperaturstabilität eher um Spezialfälle handelt, sieht sich die Leistungselektronik und damit auch das Vergussmaterial zunehmend mit Herausforderungen konfrontiert, die das Management von steigenden Betriebstemperaturen betreffen.

Dafür gibt es viele Gründe. Einer ist beispielsweise die fortschreitende Miniaturisierung und die immer höhere Leistungsdichte von Bauteilen. Sie führt dazu, dass die elektrischen Verlustleistungen der Komponenten auf immer kleineren Flächen abgeführt werden müssen.

In vielen Fällen werden an der Grenzfläche oder im Bereich der einzusetzenden Vergussmassen Spitzen- und Durchschnittstemperaturen von bis zu 175 °C und mehr erreicht. Andererseits müssen in Hybrid- und Elektrofahrzeugen, in Windturbinen und Traktionsmotoren immer größere elektrische Ströme und Spannungen gesteuert werden.

Auch neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) führen zu höheren Anforderungen. Solche Materialien weisen höhere Bandabstände auf und ermöglichen damit den Betrieb von Halbleiterbauelementen bei reduzierten Verlustleistungen.

Außerdem ist es möglich, die Komponenten bei deutlich höheren Sperrschichttemperaturen von 200 °C und mehr zu betreiben. Die um Faktor zehn höhere thermische Leitfähigkeit von SiC ermöglicht höhere Leistungsdichten und eine verbesserte Stromtragfähigkeit.

Der Übergang von Silizium hin zu Siliziumkarbid oder Galliumnitrid zur Steuerung von hohen Strömen und Spannungen ist daher für viele zukünftige Anwendungen interessant.

Gleichzeitig steigen die Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Bauteile, genauer: an die thermische Stabilität der eingesetzten Materialien für die Aufbau- und Verbindungstechnik und der sie schützenden Vergussmassen, bei Temperaturen von weit über 200°C.

Langzeit- und hitzestabile Silikongele

Um den technologischen Fortschritt der Leistungsbauteile begleiten zu können, ist es notwendig, Silikongele anzubieten, die unter Beibehaltung des bisherigen Eigenschaftsprofils eine deutlich höhere Hitze- bzw. Oxidationsbeständigkeit aufweisen.

Ergänzendes zum Thema
Originalbeitrag als ePaper oder im pdf-Format lesen

Dieser Autorenbeitrag ist in der Printausgabe ELEKTRONIKPRAXIS Sonderheft Leistungselektronik, Stromversorgungen und Energieeffizienz II erschienen. Diese ist auch als kostenloses ePaper oder als pdf abrufbar.

Eine Messgröße zur Beurteilung dieser Hitzebeständigkeit ist auch in diesem Fall der Elastizitätsmodul.

Dass Silikone thermisch stabil sind, ist bekannt. Während herkömmliche, ungefüllte Silikongele bei Temperaturen oberhalb von 190 °C im Lauf der Zeit verspröden, weisen spezielle Silikon-Vergussmassen (etwa das von WACKER entwickelte SEMICOSIL 915 HT (HT steht für hochtemperaturstabil) eine deutlich erhöhte Oxidationsbeständigkeit auf.

Sein E-Modul verändert sich auch nach 2000 Stunden bei Temperaturen von 210 °C praktisch nicht.

Modulare Systeme für die problemlose Verarbeitung

Der zunehmende Einsatz von Silikon-Vergussmassen in modernen Fertigungsstraßen mit immer kürzeren Taktzeiten stellt hohe Anforderungen an Aushärtegeschwindigkeit, Prozesseigenschaften und Flexibilität des Systems sowie an seine Robustheit. Modulare Vergusssysteme, die flexibel an die jeweiligen Prozesse angepasst werden können, sind deshalb zunehmend gefragt.

Der besondere Vorteil eines modularen Systems für Vergussmaterialien besteht darin, dass je nach Prozessanforderung, verschiedene Katalysatoren zur Abmischung des Basis-Silikons zur Verfügung stehen.

Das Unternehmen WACKER bietet beispielsweise für seine Zwei-Komponenten-Vergussmasse SEMICOSIL 915 HT mit den Katalysatoren ELATOSIL CAT PT, ELASTOSIL CAT PT-F und ELASTOSIL CAT UV zahlreiche Variationsmöglichkeiten an.

Damit lassen sich auf einfache Weise unterschiedliche Verarbeitungs- und Vernetzungszeiten einstellen, von relativ langsam aushärtenden thermischen Systemen bis hin zu einer extrem schnellen, mit UV-Licht initiierten Aushärtung.

Ein an die gleiche Charge gebundener Einsatz der beiden Komponenten ist nicht mehr notwendig. Der Anwender gewinnt somit ein Höchstmaß an Flexibilität. Gleichzeitig besitzt das System eine erhöhte Robustheit und Verarbeitungstoleranz. Kleinere Abweichungen vom Mischverhältnis 10:1 sind unproble-matisch.

Durch UV-Vernetzung kurze Taktzeiten in der Produktion

Die Massenproduktion von Halbleitermodulen erfordert eine Reihe von sequenziellen Einzelprozessen, deren Taktzeiten möglichst aufeinander abgestimmt und minimiert werden müssen.

Zweikomponentige, UV-aktive Systeme mit ELASTOSIL CAT UV erlauben einerseits eine lange Verarbeitungszeit; andererseits helfen sie Spülverluste zu vermeiden, wie sie bei längeren Produktionsunterbrechungen auftreten können.

Kombinationen mit SEMICOSIL-Vergusspolymeren wie beispielsweise SEMICOSIL 912 oder SEMICOSIL 914 werden bereits erfolgreich eingesetzt, um Taktzeiten von etwa 30 Minuten auf unter 10 Sekunden zu verkürzen.

Durch ein viskoseres, thixothropes Silikongel wie beispielsweise SEMICOSIL 914 kann in Kombination mit ELASTOSIL CAT UV auf dem Substrat ein Kantenschutz generiert werden, der gleichzeitig als Damm dient, um ein Bauteil mit einem niederviskosen Silikon wie etwa SEMICOSIL 912 zu vergießen.

Nach der Belichtung mit ultraviolettem Licht kann die Komponente bereits nach wenigen Sekunden für den folgenden Verarbeitungsschritt gedreht werden (Quelle: Thomas Stockmeier, From Packaging to Un-Packaging – Trends in Power Semiconductor Modules; Proceedings of the 20th International Symposium on Power Semiconductor Devices and IC's 2008 (ISPSD '08), pp. 12-19).

* Philipp Müller und Markus Jandke sind Anwendungstechniker im Geschäftsbereich WACKER SILICONES der Wacker Chemie AG, München.

(ID:43531370)