Suchen

Passive Embedding So werden passive Systeme immer kompakter und zuverlässiger

| Autor / Redakteur: Dave Connett * / Thomas Kuther

Embedding und Integration passiver elektronischer Bauelemente machen dank neuer Materialien, Technologien und Miniaturisierung große Fortschritte. Mit eigens für das Einbetten konzipierten Bauelementen und Integrationstechnologien lassen sich Systeme immer kompakter entwickeln und gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit steigern.

Firmen zum Thema

Passive Integration macht's möglich: In diesem Power-Modul ist das komplette Power-Management eines Smartphones integriert.
Passive Integration macht's möglich: In diesem Power-Modul ist das komplette Power-Management eines Smartphones integriert.
(Bild: TDK Corporation )

Bei passiven Bauelementen entscheiden oft die Maße und der Grad ihrer Robustheit gegenüber Weiterverarbeitungsprozessen, ob sie sich für Embedding und bestimmte Integrationstechnologien eignen. TDK ermöglicht hier mit innovativen Kondensatoren und Thermistoren sowie diversen Integrationsmethoden technologisch überlegene Lösungen.

Bildergalerie

Bildergalerie mit 7 Bildern

Kondensatoren in IGBT-Module einbetten

Für IGBT-Module auf Si- und SiC-Basis in der mittleren Leistungsklasse werden traditionell externe Snubber-Kondensatoren eingesetzt. Durch das Embedding der Kondensatoren könnten hier insbesondere lange Leitungswege, die mit parasitären Induktivitäten behaftet sind, deutlich verkürzt werden. Allerdings war ein Embedding dieser Bauelemente bisher nicht möglich, da sie – ganz abgesehen von ihren Abmessungen – nicht die erforderliche Hitzebeständigkeit für die Fertigungsprozesse des IGBT-Chips aufweisen. Darüber hinaus bieten einige nur geringe Kapazitätswerte pro Volumen und haben bei hohen Nennspannungen einen erheblichen Kapazitätsverlust.

Mit dem EPCOS-CeraLink wurde ein gänzlich neuer Kondensatortyp entwickelt, der keinen dieser Nachteile mit sich bringt. Die CeraLink-Technologie basiert auf PLZT-Keramik (Lead Lanthanum Zirconate Titanate). Im Gegensatz zu konventionellen Keramik-Kondensatoren liegt beim CeraLink das Kapazitätsmaximum bei der Einsatzspannung und steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung (Bild 1).

So wird der Thermal Runaway verhindert

Ein weiterer Vorteil liegt in der hohen Isolationseigenschaft. Die Entladezeitkonstante t liegt bei 70.000 ΩF bei 25 °C und selbst bei 150 °C fällt dieser Wert nur wenig ab. Dadurch wird das gefürchtete, sich selbst verstärkende, Thermal Runaway ausgeschlossen. Auch die parasitären Beiwerte sind sehr gering: So liegt der ESR bei nur 50 mΩ bei 100 kHz und fällt bei 1 MHz auf nur noch 10 mΩ, wodurch sich sehr geringe Verluste ergeben. Der ESR-Wert sinkt mit steigender Temperatur noch weiter: Bei 85 °C liegt er bereits unter 20% des ursprünglichen Werts, den er bei 25 °C hat. Damit ergeben sich Lade- bzw. Entladezeiten zwischen 25 ns und 30 ns. Die ESL-Werte der CeraLink Kondensatoren liegen bei unter 5 nH, wodurch sich diese Technologie besonders für schnell schaltende Inverter eignet.

Alle diese Vorteile prädestinieren CeraLink für das Embedding als Snubber-Kondensatoren in IGBT-Module. Dafür sind zwei SMD-Typen mit Nennspannungen von 500 VDC verfügbar (Bild 2). Die Low-Profile-Variante mit 1 µF und den Maßen 4,35 mm × 7,85 mm × 10,84 mm sowie der 5-µF-Typ mit den Maßen 13,25 mm × 14,26 mm × 9,35 mm sind besonders kompakt und lassen sich sehr nahe und niederinduktiv am Halbleiter platzieren.

Temperaturschutz in IGBT-Module einbetten

Um eine möglichst hohe Effizienz von IGBT-Modulen in Invertern zu erzielen, werden sie an ihrem oberen Temperaturlimit betrieben. Um dabei eine Schädigung der Halbleiter auszuschließen, ist die exakte Überwachung der Betriebstemperatur erforderlich. Allerdings sind bislang eingebettete, konventionelle Chip-NTC-Thermistoren nur bedingt geeignet, da sie nicht alle Halbleiter-Fertigungsprozesse überstehen. Dazu gehören insbesondere das Hochtemperatur-Löten und das Silber-Sintern unter Druck.

Um dieses Problem zu lösen, wurde ein Wafer-basierter Herstellungsprozess für EPCOS-Chip-NTC-Thermistoren entwickelt (Bild 3). Diese neuen Bauelemente können jetzt dem thermischen und mechanischen Stress der Halbleiterprozesse standhalten. Darüber hinaus sparen sie Platz, weil keine speziellen Pads für das Löten auf dem Halbleitersubstrat nötig sind.

Die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen entscheidet

Bei NTC-Thermistoren, die aus Wafern gefertigt werden, ist die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen entscheidend: Sie ist in diesem Fall horizontal und nicht vertikal. Dadurch wird mit dem unteren Anschluss eine direkte und sehr plane Kontaktierung auf dem Halbleitersubstrat unter Verwendung herkömmlicher Halbleiterprozesse ermöglicht. Der obere Anschluss wird über konventionelles Bonden kontaktiert, so wie es bei IGBT-Modulen üblich ist. Wahlweise sind die Kontaktflächen auch in vergoldeter oder versilberter Ausführung erhältlich, um bestmögliche Ergebnisse beim Bonden zu erzielen.

Dieser Beitrag ist urheberrechtlich geschützt. Sie wollen ihn für Ihre Zwecke verwenden? Kontaktieren Sie uns über: support.vogel.de (ID: 43057285)