Aufbau- und Verbindungstechnologie für neuartige Leistungsmodule mit SiC-Bauelemente

Durch strengere gesetzliche Emissionsvorgaben und staatliche Förderungen für Elektrofahrzeuge und Hybridfahrzeuge konnte in den letzten Jahren der Marktanteil für Fahrzeuge mit alternativen Antrieben gesteigert werden. Die etablierten Fahrzeughersteller haben begonnen, stufenweise den Antriebsstrang zu elektrifizieren mit dem Ziel, den Verbrennungsmotor durch ein elektrisches Antriebssystem zu ersetzen. Um die Reichweite von batterieelektrischen Fahrzeugen zu steigern, werden leistungselektronische Systeme mit sehr hoher Effizienz und Leistungsdichte zur Energiewandlung benötigt (z. B. Antriebsinverter oder Stromversorgung im Bordnetz). Wide-Bangap-Leistungshalbleiter haben eine höhere Effizienz und können mit höheren Flankensteilheiten geschaltet werden als konventionelle Si-Leistungshalbleiter. Der Trend der letzten Jahre zeigte, dass durch die technische Weiterentwicklung im Bereich der Leistungshalbleitertechnologie insbesondere SiC-Leistungshalbleiter technisch ausgereift sind und Si-Leistungshalbleiter ersetzen können. Allerdings sind SiC-Leistungshalbleiter deutlich kleiner als Si-Leistungshalbleiter, sodass sich die im Chip entstehende Wärme auf eine kleinere Fläche konzentiert. ... mehr
Ein effektiveres Thermomanagement im Leistungsmodul ist erforderlich, um die Stromtragfähigkeit der Chips zu erhöhen und diese somit optimaler ausnutzen zu können. Alternativ kann eine bessere Entwärmung genutzt werden, um den Temperaturhub im Chip zu verringern und die Zuverlässigkeit der Verbindungen im Leistungsmodul zu steigern.
Nach aktuellem Stand der Wissenschaft und Technik weist die Silbersintertechnologie eine wesentlich höhere Zuverlässigkeit auf als eine Lötverbindung. Zudem zeigen simulative Untersuchungen in dieser wissenschaftlichen Arbeit, dass bei einem SiC-Leistungsmodul eine Sinterverbindung den thermischen Widerstand zwischen Chip und Kühlkörper im Vergleich zu einer Lötverbindung um bis zu 8 % verringern kann. Ein Vergleich zwischen dem Silbersintern und dem neuartigen Kupfersintern zeigt, dass das Kupferdrucksintern bei einer Sintertemperatur von 300 °C gegenüber dem Silbersintern eine höhere Scherfestigkeit um bis zu 10 % erzielen kann. Durch Prozessoptimierung konnte die Prozessdauer beim drucklosen Kupfersintern um mehr als das 3,5-Fache verkürzt werden, sodass der Durchsatz gesteigert und die Produktionskosten gesenkt werden konnten. Das Kupfersintern weist eine geringfügig höhere Zuverlässigkeit gegenüber dem Silbersintern auf und wird voraussichtlich preislich attraktiver sein.
Aufgrund der höheren Flankensteilheit beim Schalten stellt der Einsatz von SiC höhere Anforderungen an die elektrischen Eigenschaften eines Leistungsmoduls. Die parasitäre Induktivität im Kommutierungskreis muss minimal sein, um eine Spannungsüberschwingung bei einer hohen Stromflankensteilheit zu verringern. Die parasitären Induktivitäten in den Gate-Treiberschaltkreisen sollen nach Möglichkeit gleiche Werte aufweisen und minimal sein, um die Schalteigenschaften des SiC-Leistungsmoduls zu optimieren.
Um diese Anforderungen zu erfüllen, wurden in dieser Arbeit Aufbau- und Verbindungstechniken untersucht, die eine Integration eines Entkopplungskondensators und Gate-Treiberschaltkreise ins SiC-Leistungsmodul ermöglichen.
Thermische Simulationen zeigen, dass durch eine beidseitige Kühlung die thermische Performanz eines Leistungsmoduls um etwa ein Drittel gesteigert werden kann. In dieser Arbeit wurde ein neuartiges Modulaufbaukonzept auf Basis von Kupferstanzgittern mit thermisch leitenden Isolationsfolien untersucht.
Bei diesem Modulkonzept spielen die thermischen und elektrischen Eigenschaften der Isolationsfolie eine zentrale Rolle und bestimmen im Wesentlichen die Performanz des Leistungsmoduls. Die thermische und materialwissenschaftliche Charakterisierung der Isolationsfolie zeigen, dass das Epoxidbasismaterial mit thermisch leitenden Partikeln gefüllt ist und die Isolationsfolie daher eine gute thermische Leitfähigkeit von 8,68 W (m K)-1 aufweist. Eine Hochspannungsprüfung der Isolationsfolie zeigt, dass diese eine ausreichend hohe Spannungsfestigkeit von mehr als 2 kV erzielt.