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Aufbau und Verbindungstechnik ist besonderer Schwerpunkt der PCIM Europe 2020

| Autor / Redakteur: Josef Lutz * / Gerd Kucera

Die Aufbau- und Verbindungstechnik ist einer der Schwerpunkte der PCIM Europe 2020. Konferenz und Messe zeigen wichtige Neuerungen; einige besonders interessante Fortschritte sind hier skizziert.

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Bild 1: Neue Randkontur des 4,5-kV-IGBTs von ABB.
Bild 1: Neue Randkontur des 4,5-kV-IGBTs von ABB.
(Bild: ABB )

Wie bei jeder PCIM-Europe-Konferenz werden die aktuellen Fortschritte der wichtigsten Hersteller vorgestellt. Beginnen wir mit den IGBTs.

Eine 4,5-kV-Technologie für IGBT und Diode hat ABB entwickelt (Bild 1). Für hohe Spannungen ist die Randkontur des Chips eine besondere Herausforderung. Der IGBT weist eine neue Struktur mit von innen nach außen abnehmender Eindringtiefe und Dotierung auf – markiert als (1) in Bild 1. Ihr Platzbedarf ist verringert. An der Kollektorseite ist die Dotierung unter der Randkontur verringert, dies vermeidet höhere Stromdichten am Rand. Auch die Freilaufdiode wurde optimiert, IGBT und Diode haben jetzt deutlich niedrigere Sperrströme. Nun kann in diesem Spannungsbereich eine Sperrschicht-Temperatur von 150 °C zugelassen werden und das Modul wird auf 1500 A Nennstrom spezifiziert – ein signifikanter Entwicklungsfortschritt.

[Do. 7.5./10:25 Uhr] Rugged 4500V HiPak Module with 1500A Current Rating and 150°C Capability for Traction Application, Maxi Andenna et al.

Höhere Leistungsdichten präsentiert Infineon mit dem 3,3-kV-Modul, das auf einen Strom von 2000 A ausgelegt ist. Die Sperrschicht-Temperatur ist bei diesem Leistungsbaustein ebenfalls mit 150 °C angegeben.

[Do. 7.5./10:50 Uhr] Latest IGBT4 Chip Technology Enables the First 2000A 3300V Module in IHV Package, Vishal Jadhav.

In derselben Session mit dem Titel „High Voltage IGBT Modules“ stellt Infineon ein Modul einer neuen Spannungsklasse vor, nämlich 2,3 kV. Diese Spannungsklasse ist speziell für Photovoltaik-Zentralwechselrichter gewählt; bei der Zwischenkreisspannung von 1500 V verfügen die dafür ausgelegten Chips über ausreichende Höhenstrahlungsfestigkeit.

[Do. 7.5./11:40 Uhr] 2.3kV – A New Voltage Class for Si-IGBT and Si-FWD, Frank Umbach et al.

Auch Mitsubishi bietet für solche Anwendungen eine neue IGBT-Struktur an.

[Do. 7.5./10:50 Uhr] 2000V Class IGBT Concept for Renewable Energy Converter, Satoshi Miyahara et al.

Neuheiten bei Bauelementen in Siliziumkarbid

Bild 2: 
Struktur des neuen SiC Trench MOSFET (links) und Gehäuse des auf 3,3 kV ausgelegten Moduls (rechts).
Bild 2: 
Struktur des neuen SiC Trench MOSFET (links) und Gehäuse des auf 3,3 kV ausgelegten Moduls (rechts).
(Bild: Fuji )

Auch bei SiC-Leistungsbausteinen gibt es Neuheiten, bei denen auffällt, dass die Fortschritte in der Chip-Technologie eng verbunden sind mit der Packaging-Technologie und den Aspekten der Zuverlässigkeit. Fuji bietet ein auf 3, 3 kV ausgelegtes All-SiC-Leistungsmodul im HPNC-Gehäuse an. Der Chip ist in Trench-Technologie realisiert, wie sie Bild 2 zeigt. Erwartet wird, dass man gegenüber einem Modul gleicher Größe mit Silizium-Chips bei einer Anwendung in der Traktionstechnik die dreifache Leistung steuern kann.

[Do. 7.5./15:15 Uhr] 3.3kV All SiC Module with 1st Generation Trench gate SiC MOSFETs for Traction Inverters, Yusuke Sekino et al, Session SiC Device and Integration.

Von Wolfspeed kommt ein 750-V-SiC-MOSFET; diese Spannungsklasse ist speziell für Elektrofahrzeuge mit 400-V-Batteriespannung gewählt. Der Ron ist mit 10,5 mΩ bemerkenswert niedrig, und er steigt auch nur um etwa 40% bei der höchsten Einsatztemperatur von 175 °C. Die Metallisierung ist für das Sintern auf der Ober- und Unterseite ausgelegt, also speziell für Module hoher Zuverlässigkeit.

[Di. 5.5./12:15 Uhr] 750V, 10.5mOhm SiC Power MOSFET for Use in Electric Vehicles, Jeffrey Casady et al, Session SiC devices.

Bild 3: SiC-MOSFET mit integrierter Schottky-Diode von Toshiba.
Bild 3: SiC-MOSFET mit integrierter Schottky-Diode von Toshiba.
(Bild: Toshiba )

Einige Hersteller benutzen die inverse Diode, andere versuchen dies zu vermeiden. Denn bipolarer Betrieb kann auf lange Sicht zu Degradation führen, worunter der Widerstand Ron des MOSFETs leidet. In der Regel nutzt man den Betrieb als Synchrongleichrichter, doch während der Totzeit muss das Gate geschlossen sein. Parallelschaltung einer externen Schottky-Diode zum SiC-MOSFET wirft Probleme auf. Es ist möglich, die Schottky-Diode in den MOSFET zu integrieren. Ein Beispiel (Toshiba) zeigt Bild 3.

[Di. 5.5/11:00 Uhr] Improved reliability of 1.2kV SiC MOSFET by preventing the intrinsic body diode operation, Masaru Furukawa et al, Session SiC devices.

Auch das Packaging ist von hoher Bedeutung

Bild 4: Modulgehäuse (links) und interne Verschienung (rechts) für niedrige Streuinduktivität.
Bild 4: Modulgehäuse (links) und interne Verschienung (rechts) für niedrige Streuinduktivität.
(Bild: Infineon )

Zunehmend wird die Aufbau- und Verbindungstechnik als Schlüssel für den Fortschritt in der Leistungselektronik erkannt. Die Gehäuse vom sogenannten XHP-Typ (Bild 4 links) finden zunehmend Verbreitung. Im Infineon-Konzept sollen sie für 1,2 kV und für 1, 7 kV sowie 3,3 kV einsetzbar sein. Nun bestehen gegensätzliche Anforderungen: Zum einen sehr niedrige parasitäre Modulinduktivität, was das Führen der Plus/Minus-Schienen sehr nahe beieinander verlangt, und zum anderen ausreichende Kriechstrecken. Infineon stellt eine Lösung vor, die beides gleichzeitig erreicht (Bild 4 rechts). Eine Streuinduktivität <10 nH wird erreicht.

[Do. 7.5.] XHP 2 – The Low Inductive, Multi-Package Housing for the Next Generation of High-Power Applications, Waleri Brekel et al.

Bild 5: Lotfreies Modul mit Integration von Substrat und Grundplatte.
Bild 5: Lotfreies Modul mit Integration von Substrat und Grundplatte.
(Bild: Mitsubishi Electric )

Kupfer-Bonddrähte zur Verbesserung der Lastwechselfähigkeit sind schon länger von Infineon bekannt. Auch Mitsubishi nutzt jetzt Cu-Bonddrähte. Eine vollständig lötfreie Technologie wurde entwickelt, vorgesehen für den Einsatz von 3,3-kV-SiC-MOSFETs. Der Chip wird mittels Ag-Sintern verbunden. Es gibt auch keine Lötung mehr zwischen Substrat und AlSiC-Grundplatte, beide sind zu einer Einheit integriert. Damit wird auch ein niedrigerer Wärmewiderstand erreicht. Insbesondere die Zuverlässigkeit ist stark verbessert. Mitsubishi berichtet von einer um das 27-Fache erhöhten Lastwechselfestigkeit gegenüber der Vorgängertechnologie mit Cu-DCB-Substrat.

[Do. 7. 5./10:25 Uhr] New Solderless Structure Power Module for High Reliability, Yuji Sato et al.

Verbesserte Zuverlässigkeit und Zuverlässigkeitsprognose

Infineon hat mit der .XT-Technologie ein Modul entwickelt, bei dem die Al-Bonddrähte durch Cu-Bonds und die Chip-Lötung durch Silber-Sintern ersetzt sind. Die bisherigen Hauptschwachstellen sind beseitigt, es verbleibt die Weichlötung Substrat zur Grundplatte.

Bild 6: a) Simulation der Temperaturverteilung in einem PrimePACK Modul; b) Ausfallbild der Substratlötung nach sehr hoher Lastwechselzahl; c) Stellen höchster viskoplastischer Energiedichte.
Bild 6: a) Simulation der Temperaturverteilung in einem PrimePACK Modul; b) Ausfallbild der Substratlötung nach sehr hoher Lastwechselzahl; c) Stellen höchster viskoplastischer Energiedichte.
(Bild: Infineon )

Diese ist ebenfalls verbessert, die Lebensdauer steigt um den Faktor 10 gegenüber dem früheren Standard. Vor allem aber: Die Substratlötung reist nicht wie früher von außen nach innen, sondern direkt unter dem belasteten Chip. Dies kann nun sehr gut simuliert werden. Die Stellen höchster viskoplastischer Energiedichte (Bild 6c) stimmen mit den im Ultraschall gefundenen Stellen der Zerrüttung des Lots (Bild 6 b) gut überein. Das erlaubt nun, die Ergebnisse mittels Simulation auch auf andere Betriebsbedingungen zu übertragen und ermöglicht eine viel bessere Prognose als die bisher übliche Extrapolation von Messdaten.

[Mit. 6.5./10:50 Uhr] Enhanced Lifetime and Power Cycling Modelling for PrimePACK .XT Power Modules, Torsten Methfessel et al, Session Ruggedness and Reliability.

Den gesamten auf der PCIM Europe sichtbaren Fortschritt in einem Übersichtsartikel wiederzugeben ist unmöglich; das hier Gezeigte ist nur ein kleiner Ausschnitt. Verstärkt rückt der Zusammenhang von Leistungshalbleiter und seiner Aufbau- und Verbindungstechnik in den Vordergrund und wird entsprechend behandelt. Allein fünf Oral-Sessions und fünf Poster-Sessions mit je acht Beiträgen widmen sich dem Themenkreis Packaging, Wärmeabfuhr und Zuverlässigkeit. Es ist ein Trend erkennbar, dass hier die meisten Innovationen stattfinden.

* Prof. Dr. Josef Lutz doziert an der TU Chemnitz und ist Mitglied des Boards of Direktors der PCIM Europe.

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