Aufbau- und Verbindungstechnik

Mit Simulation & Design-Regeln zu besseren Power-Modulen

| Autor / Redakteur: Michael Schleicher * / Gerd Kucera

Für das Design der Module verwendete Tools

Stromdichte- und thermische What-if-Simulationen der neuen Aufbautechnologie zeigten, dass der Wärmewiderstand Rth um 38% im Vergleich zur Standard-Aufbautechnologie reduziert und die Induktivität etwa zehnmal verringert werden konnten. Prototypen der evolutionären Aufbautechnologie verifizierten die Simulation durch Messergebnisse. Die Vorhersage der aktuellen und thermischen Simulation ist eine iterative Co-Simulation, da sich die Leitfähigkeit von Kupfer aufgrund von Selbstheizung bei hoher Stromdichte ändert.

Mit Strömen von bis zu 400 A hat das thermische Design einen großen Einfluss auf die Platzierung der Bauteile und die Entflechtung der Leitungen und Kontaktflächen. Verwendet wurden die Software-Pakete Allegro PCB Designer und die Allegro-Miniaturisierung-Option von Cadence, um die Flex-Leiterplatten-Aufbautechnologie zu entwerfen und den Chip zwischen der flexiblen Leiterplatte und dem DCB-Substrat (Direct Copper Bonding) zu implementieren. Überprüfung der Luft- und Kriechstrecken für die flexible Leiterplatte wurde in der Software NEXTRA auf Basis der Allegro-Konstruktionsdaten durchgeführt.

Die aus dem NEXTRA-Datensatz abgeleiteten SolidWorks-Daten wurden mit der Konstruktionsabteilung ausgetauscht, um Montage- und Thermo-Simulationen durchzuführen. Der fachkundig von FlowCAD erbrachte technische Support für die PCB-Tools ist insbesondere bei der Implementierung von neuen und komplexen Technologien sehr wichtig.

Das fertige Modul besteht aus zwei Einzelteilen (Flex-Leiterplatte und DCB), die von verschiedenen Zulieferern hergestellt werden. Die Erstellung eines PCB-Jobs und der Dokumentation für verschiedene Hersteller und der internen Fertigung erfordert zusätzliche eine umfangreiche und aufeinander abgestimmte Fertigungsdokumentation (Bezugspunkte, Abmessungen und Toleranzen). Die unterschiedlichen Toleranzen wurden innerhalb Allegro PCB Editor als Design Rule Check (DRC) implementiert.

Neue Technologien stellen Anforderungen

Für Projekte, in denen neue Technologien eingesetzt werden, ist die Entwicklungsumgebung besonders wichtig. Der Entwickler muss sich darauf verlassen können, dass sich alle Informationen zwischen den Software-Paketen der unterschiedlichen Hersteller ohne Fehlinterpretation mehrfach austauschen lassen. Im Falle der SiC-MOSFET-Leistungsmodule von SEMIKRON waren dies die mechanischen Daten, die PCB-Layout- und die Simulationsdaten.

Wenn neue Technologien oder neue Konzepte erforscht werden, dann wird durch Simulationen das System nachgebildet. In der Simulation erkennt der Entwickler, wo sich kritische Bereiche befinden. Beim beschriebenen Projekt sollte durch die angestrebte Miniaturisierung der Abstand zwischen den Bauteilen so weit reduziert werden, dass es aber immer noch sicher ist. Bei Spannungen von 1200 V sind Luft- und Kriechstrecken unbedingt zu beachten.

Mit der automatisierten Prüfung in NEXTRA wurden sowohl die Abstände auf den Oberflächen der Leiterplatte und der Bauteile gemessen. Diese Messung muss in 3D erfolgen, da Spannung führende Teile nicht unbedingt auf einer Ebene sein müssen. So kann der Oberflächenstrom um die Leiterplattenkante, durch Bohrungen und Fräsungen oder an der Oberfläche von Bauteilen und Gehäuseteilen fließen.

Die Software liefert dem Entwickler in nur wenigen Minuten die zu kleinen Abstände. Eine manuelle Prüfung wäre deutlich fehleranfälliger und darüber hinaus viel zeitintensiver. Neben dem Kriechstrom, der an der Oberfläche fließen kann, kommen auch mögliche Überschläge durch die Luft hinzu, die zum gleichen Problem führen würden. Aber unterschiedliche Abstände zwischen den stromführenden, mechanischen Materialien wie auch Befestigungsschrauben und Gehäuseteilen müssen unbedingt eingehalten werden.

Das Software-Paket NEXTRA misst hier die direkten Abstände zwischen den Spannung führenden Teilen auf Basis der kombinierten Leiterplattendaten aus Allegro mit der Netzliste und den mechanischen Daten aus dem Programm SolidWorks. Auch die hohen Ströme können zu Problemen führen. Durch Simulationen lassen sich mögliche Probleme frühzeitig erkannen.

Hohe Ströme führen zu einer Erwärmung der Leiterbahnen; durch die Miniaturisierung wird es schwieriger, diese Wärme zu entsorgen. Die Simulationsergebnisse helfen den notwendigen Kompromiss zu finden zwischen möglichst schmalen Leitungen zur geforderten Miniaturisierung und möglichst breiten Leitungen, um Erwärmung durch den Spannungsabfall zu vermeiden.

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