Si3N4-Keramiksubstrat Verlängerte Lebensdauer von Leistungsmodulen

Redakteur: Gerd Kucera

In einem Keramiksubstrat mit Siliziumnitrid verlangsamen sich die Ausfallmechanismen so sehr, dass die Lebensdauer im Vergleich zu heute verwendeten Substraten bis zu 50 mal höher ist.

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Keramiksubstrat: Die Biegebruchfestigkeit der Keramiksubstrate mit Si3N4 ist im Vergleich zu Al2O3 und AlN höher; der Risswachstumswert schlägt sogar den von zirkondotierter Keramik.
Keramiksubstrat: Die Biegebruchfestigkeit der Keramiksubstrate mit Si3N4 ist im Vergleich zu Al2O3 und AlN höher; der Risswachstumswert schlägt sogar den von zirkondotierter Keramik.
(Bild: curamik electronics)

Eine niedrige Biegebruchfestigkeit und eine daraus resultierende geringe Temperaturwechselbeständigkeit begrenzten bisher die Lebensdauer von keramischen Substraten. Die stark unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten zwischen Trägermaterial (Keramik) und dem Leiter (Kupfer) sowie der daraus resultierende Stress in der Verbindungszone sind verantwortlich für die möglichen Ausfälle.

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Von curamik electronics gibt es ein Keramiksubstrat, das mit Siliziumnitrid (Si3N4) hergestellt wird. Dies hat den Vorteil, dass sich die Ausfallmechanismen um ein Vielfaches verlangsamen. Das Material ist daher besonders gut für Anwendungen in Gebieten mit hohen thermischen und auch mechanischen Belastungen geeignet, wie beispielsweise im Automotivebereich und in Zusammenhang mit regenerativen Energien.

Eine hohe Zuverlässigkeit muss garantiert werden

Indes nehmen die Anforderungen an die Automotive-Branche hinsichtlich Entwicklung von Hybrid- und Elektroautos sowie den Bereich rund um die regenerativen Energien stetig zu. Um hier zukünftig neben herkömmlichen Lösungen bestehen zu können, ist eine hohe Zuverlässigkeit der neuen Anwendungen unabdingbar. Erreicht wird diese Sicherheit unter anderem durch Komponenten wie keramische Substrate auf Basis von Siliziumnitrid mit einer erheblich verbesserten Lebensdauer. Das lässt sich anhand der Anzahl von Wiederholungen thermischer Zyklen, also dem Wechsel von kalter auf warme Umgebungstemperatur und umgekehrt, messen. Denn diese setzen das Substrat mechanischem Stress aus.

„Bei unseren bisher durchgeführten passiven Sequenzen von -55 bis 150 °C zeigen sie eine verlängerte Lebensdauer von mehr als dem Faktor 20 bei DCB und 50 bei AMB Substraten gegenüber heute verwendeten Substraten mit zum Beispiel Al2O3 und AlN“, berichtet Manfred Götz, Product Marketing Manager bei curamik, „daraus lässt sich eine höhere Lebensdauer auch für die späteren Module ableiten. Diese ist überall dort notwendig, wo mit Halbleitern gearbeitet wird, die hohe Sperrschichttemperaturen aufweisen. Die von curamik verwendete Si3N4-Keramik liegt mit einer Wärmeleitfähigkeit von 90 W/mK über dem Marktdurchschnitt.“

Keramik mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften

Auch die Biegebruchfestigkeit der neuen Keramiksubstrate mit Siliziumnitrid ist im Vergleich zu Al2O3 und AlN höher. Der Risswachstumswert von Si3N4 schlägt sogar den Wert zirkondotierter Keramiken: Er liegt bei 6,5 bis 7 MPa/√m mit einer thermischen Leitfähigkeit von 90 W/mK. Aufgrund der sehr guten mechanischen Werte kann die Keramik auch dünner angewandt werden, was einen zusätzlichen Vorteil in Bezug auf den Wärmewiderstand hat. Außerdem wird dadurch die Leistungsdichte erhöht und die Systemkosten gesenkt. „Bei Si3N4 handelt es sich um eine für DCB- und AMB-Verfahren neue Keramik mit hervorragenden mechanischen Eigenschaften und hoher thermischer Leitfähigkeit, die die Zuverlässigkeit um ein Vielfaches erhöht“, so Götz.

Die curamik electronics GmbH wurde 1983 gegründet und ist seit Januar 2011 Teil der Rogers Corporation mit Sitz in den USA. curamik ist weltweit tätig und bildet zusammen mit Rogers BVBA in Belgien die Division Power Electronic Solutions. Das Unternehmen ist nach eigenen Angaben mit 40% Marktanteil führend in der Herstellung von Keramiksubstraten. Der Standort in Eschenbach hat 600 Mitarbeiter.

Seit der Gründung steckt curamik alle Ressourcen in die Entwicklung, Weiterentwicklung und Fertigung von keramischen Substraten und Mikrokanalkühlern nach der DCB Technologie (DCB – Direct Copper Bonded), investiert parallel aber auch in die Entwicklung alternativer Fertigungstechnologien wie AMB (Active Metal Brazing).

Die Grundlage für diese erfolgreichen Produkte bilden zwei Materialien: Keramik und reines Kupfer. Dabei werden die entscheidenden positiven Eigenschaften beider Materialien wie hohe elektrische Leitfähigkeit, hohe Isolationsspannung und sehr gute Wärmeleitfähigkeit in einer leistungsstarken keramischen Leiterplatte vereint.

Das Entwicklungsteam besteht aus hochqualifizierten und erfahrenen Ingenieuren, Materialwissenschaftlern und Technikern, die in einem kontinuierlichen Verbesserungsprozess die Leistung der Produkte verbessern. Zudem stehen Applikationsspezialisten beratend zur Seite und geben entsprechende Unterstützung.

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