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High-Power-IGBT-Module Optimierte Gehäusetechnik für moderne Leistungshalbleiter

Autor / Redakteur: Thomas Schütze, Georg Borghoff, Alexander Höhn, Matthias Wissen * / Gerd Kucera

Die Leistungsdichte in Power-Modulen wird sich in den nächsten fünf Jahren etwa verdoppeln. Neben entsprechend optimierten Halbleitern sind dazu auch neue Gehäusekonzepte und Bauformen erforderlich.

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Bild 1: Gehäuseformen im Verlauf der letzten 20 Jahre, in denen die Anforderungen an das Packaging stetig zunahmen am Beispiel Infineon.
Bild 1: Gehäuseformen im Verlauf der letzten 20 Jahre, in denen die Anforderungen an das Packaging stetig zunahmen am Beispiel Infineon.
(Bild: Infineon)

Leistungsmodule haben sich als die treibende Kraft hinter der zum Teil rasanten Entwicklung auf dem Gebiet der leistungselektronischen Systemtechnik erwiesen. Der Fortschritt in der Leistungselektronik für Industrieanwendungen wird hauptsächlich durch Aspekte wie Energieeffizienz, Miniaturisierung, Zuverlässigkeit und Kostenreduktion getrieben.

Der kontinuierliche Fortschritt bei Leistungshalbleitern verlangt entsprechende Verbesserungen der Gehäusetechnologie. Infineon hat schon im Rahmen der PCIM Europe 2014 die Anforderungen an ein zukunftsweisendes High-Power-Modul beschrieben. Im Folgenden werden die Motivation hinter der Einführung der neuen Plattform und weitere Eckdaten der aktuellen und künftigen Technologie dargestellt.

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Seit mehr als zwei Jahrzehnten entwickelt Infineon IGBT-Module. Im Jahr 1993 wurde das erste IHM (IGBT-High-Power-Module) mit Sperrspannungen bis 1,7 kV auf den Markt gebracht. Darauf folgte die IHV-Familie (IGBT-High-Voltage-Module) für Spannungsklassen bis 3,3 kV und im Jahr 1999, als 6,5-kV-Chips verfügbar waren, die Einführung des hochisolierenden IHV-Gehäuses mit erhöhten Luft- und Kriechstrecken für Sperrspannungen bis zu 6,5 kV.

Mit dem 2006 eingeführten PrimePACK steht ein flexibles Modul mit hohem Nennstrom in Halbbrücken-Konfiguration im Bereich von 1,2 bis 1,7 kV zur Verfügung. Alle Gehäuse-Designs wurden auch von anderen Halbleiterherstellern nachträglich in den Markt eingeführt, was zu einer hohen Akzeptanz dieser High-Power-Module führte. Entsprechendes gilt für Module im unteren und mittleren Leistungsbereich wie dem Easy, Econo und EconoPACK+.

Parallel dazu verlief die Entwicklung der Leistungsdichten in den Modulen. Von den anfänglichen 30 kW/cm² ist man durch innovative Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) inzwischen bei 110 kW/cm² angelangt. Es wird erwartet, dass sich die Leistungsdichte in den nächsten fünf Jahren nochmals etwa verdoppelt. Dabei wird klar, dass die weitere Erhöhung der Leistung neben den entsprechenden Halbleitern auch neue Gehäusekonzepte und Bauformen erfordert. Nur damit ist man in der Lage, die leistungsstarken Halbleiter für die verschiedensten Spannungsklassen zu integrieren.

Vor allem für äußerst anspruchsvolle Anwendungen wie der Windenergie, aber auch in Zugantrieben, Mittelspannungs-Industrieantrieben oder bei der Hochspannungs-Gleichstrom-Übertragung (HGÜ), müssen IGBT-Lösungen noch robuster und langlebiger werden. Denn nur dann kann mithilfe der HGÜ-Technik elektrische Energie äußerst kosteneffizient über lange Strecken transportiert werden.

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