Werkstoffe & Materialien

Robustere Leistungselektronik durch verbesserte AVT

| Autor / Redakteur: Guido Matthes * / Gerd Kucera

Bild 1: Zum Verbinden in, auf und unter der Leistungselektronik gibt es von Heraeus unterschiedlichste Materialien für die moderne AVT.
Bild 1: Zum Verbinden in, auf und unter der Leistungselektronik gibt es von Heraeus unterschiedlichste Materialien für die moderne AVT. (Bild: Heraeus)

Die Erhöhung der Powerzyklen-Festigkeit ist Ziel vieler Arbeiten von Leistungshalbleiter-Experten. Ein wichtiger Dreh- und Angelpunkt hierzu sind die Materialien in der Aufbau- und Verbindungstechnik.

Die uns bekannte Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) wird sich stark verändern – werden doch die Bauteile immer kleiner, im Gegensatz dazu die Leistungsanforderungen immer höher. Hier müssen Entwickler den Einfluss und die Bedeutung der Materialien bei fortschreitender Steigerung der Leistungsdichte, der Schaltfrequenzen und der Zuverlässigkeitsanforderungen betrachten und berücksichtigen.

Letztendlich gilt es, die Bauteile und eingesetzten Materialien genau zu spezifizieren, um ihr einwandfreies Funktionieren sicherzustellen, zum Beispiel bei höheren Temperaturen, die durch die höhere Leistungsdichte in den Bauteilen entstehen.

Aktuelle Trends in der Verbindungstechnik

In den meisten Standard-Leistungselektronik-Modulen erfolgt der Schaltungsaufbau durch Lötverbindungen (heute mit blei-freiem SnAg-Lot, früher auch SnPb/Ag), beziehungsweise durch das Bonden mit Aluminiumdickdraht. Diese Materialien und die entsprechenden Prozesse sind seit Jahren bekannt und werden erfolgreich eingesetzt.

Nun erhöht sich die Leistungsdichte permanent, verbunden mit höheren Betriebstemperaturen (150, 175, 200 °C und höher) und gepaart mit Forderungen an verbesserte Langzeitzuverlässigkeit (über 15 Jahre für Automotive-Anwendungen), was die bekannten AVT-Materialien an Ihre Grenzen treibt.

Den „Todesstoß“ erhalten die konventionellen Verbindungsmaterialien durch große Temperaturhübe, z.B. beim Auto-Kaltstart im Winter oder durch rasche Lastwechsel in der Leistungselektronik, was eine besondere Herausforderung hinsichtlich der Powerzyklen-Festigkeit darstellt.

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Zukünftig wird man in der Leistungselektronik auch Halbleitermaterialien wie SiC oder GaN (Siliziumkarbid bzw. Galliumnitrid) einsetzen. Diese Halbleiter ermöglichen deutlich schnellere Schaltfrequenzen und niedrigere Schaltverluste, erhöhte Leistungsdichten und sie arbeiten auch bei wesentlich höheren Sperrschichttemperaturen noch zuverlässig. Aufgrund der sehr guten Wärmeleitfähigkeit und seiner großen Bandlücke ist SiC auch für höhere Leistungsklassen, Leistungsdichten und Sperrschichttemperaturen sehr gut geeignet.

Aus diesen Gründen ergibt sich der Bedarf an optimierten Verbindungsmaterialien mit verbesserten mechanischen, thermischen und elektrischen Eigenschaften. Diese neuen Materialien müssen selbstverständlich zuverlässig bei erhöhten Betriebstemperaturen funktionieren.

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