Aufgrund der stetig steigenden Leistungsdichte in der Leistungselektronik sind immer höhere Temperaturen der Halbleiter in Leistungsmodulen die Folge, welche zu einer Leistungsbeschränkung der heutigen Module führen. Konventionelle Module bestehen häufig aus einem Direct Copper Bonded-Substrat (DCB), welches auf eine Bodenplatte (Wärmespreizer) gelötet ist. Diese Module sind aus thermischer Sicht auf Grund der wenige 100 µm dünnen Kupferschichten und thermisch schlecht leitenden keramischen und zudem bruchempfindlichen Zwischenschicht der DCB nicht optimal ausgelegt. So kann keine optimale thermische Spreizung direkt unter dem Halbeiter erfolgen, denn die Kupferlage, auf der die Halbleiter kontaktiert sind, ist hierfür zu dünn. Als Folge der hohen Bruchempfindlichkeit können Keramikschichten zur elektrischen Isolation in der DCB, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al2O3) nicht dünner, sowie die Kupferschichten auf denen die Halbleiter kontaktiert sind, nicht dicker dimensioniert werden. Wäre dies möglich, könnte zum einen der thermische Widerstand des Moduls durch eine dünnere Isolationsschicht reduziert werden und zum anderen die thermische Spreizung durch den Einsatz von dickeren Kupferschichten direkt unter dem Halbleiter erhöht werden. Dadurch könnte die thermische Spreizung nicht erst in der Bodenplatte wie beim derzeitigen Stand der Technik erfolgen, sondern bereits in der Kupferschicht unterhalb des Halbleiters. Dies würde zu einer Reduzierung der Halbleitertemperatur und damit zu einer gesteigerten Leistungsfähigkeit des Moduls führen. Bei einem Modul mit DCB-Aufbau ist dies nicht möglich. Deshalb kommen in einigen neuartigen Modulen an Stelle der keramischen Schaltungsträger organische Isolationsfolien in Kombination mit metallischen Stanzteilen (Leadframes) zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine Kupferlage, auf welche die benötigten Halbleiter kontaktiert werden. Die elektrische Isolation erfolgt mit Hilfe der organischen Isolationsfolie. Die Isolationsfolien haben nur einen Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit von Keramiken einer DCB, können jedoch dünner ausgeführt werden. Zudem kann eine höhere thermische Spreizung durch höhere Kupferschichtdicken direkt unter dem Halbleiter erfolgen. Die Kontaktierung des Leadframes auf die Bodenplatte erfolgt mit Hilfe eines Laminierprozesses. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Schichtaufbau eines Leistungsmoduls analysiert und hinsichtlich dieser neuen Technologie und der geometrischen Auslegung der Schichten optimiert, um eine signifikante Reduzierung der Halbleitertemperatur zu erzielen. Hierbei werden die Haupteinflussfaktoren zur Reduzierung der Halbleitertemperatur identifiziert. Primär werden die Auswirkungen der Haupteinflussfaktoren (Schichtdicke und Spreizfläche) sowie ihre Wechselwirkungen untereinander analysiert. Hierfür wird mit Hilfe von thermischen Simulationsergebnissen ein Regressionsmodell entwickelt, welches sowohl durch Rechnersimulation als auch durch Messungen evaluiert wird. Zum Abschluss wird ein Moduldemonstrator abgeleitet und thermisch mit einem DCB-Referenzmodul sowohl simulatorisch als auch messtechnisch verglichen. Der hierfür benötigte Laminierprozess wird hinsichtlich der Prozessparameter Druck, Zeit und Temperatur untersucht. Der Einfluss der Prozessparameter auf die Verbindungsqualität hinsichtlich thermischen Widerstandes, elektrischer Durchschlagsspannung und Scherfestigkeit wird evaluiert. Die ermittelten Ergebnisse zeigen, dass unter den gegebenen Randbedingungen durch den Einsatz einer organischen Isolationsfolie in Kombination mit geometrisch angepassten Kupferschichten eine Reduzierung der Halbleitertemperatur um bis zu 25K möglich ist. Diese Erkenntnis ist somit im Hinblick auf die steigende Leistungsdichte der heutigen Leistungselektronik von eklatanter Bedeutung und ermöglicht es, die oben genannte Leistungsbeschränkung heutiger Module zu reduzieren. Eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte bei gleichbleibender Halbleitertemperatur ist damit möglich.
Thermische Untersuchung von Schaltungsträgern für leistungselektronische Halbleitermodule mit organischem Isolator
Thermal investigation of curcuit carriers for power electronic moduls with organic insulator
2019
Miscellaneous
Electronic Resource
German
DDC: | 629 |
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