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Zuverlässige IGBT-4-Chiptechnologie : Ausgabe 08/2015, 07.05.2015

Robuste Halbleiter für Landmaschinen

IGBT-4-Module erreichen dank der verbesserten Chiptechnologie nicht nur eine hohe Leistungsdichte, sondern auch ein anderen Modulen überlegenes Schalt- und Kurzschlussverhalten. Die mechanischen Eigenschaften überzeugen durch eine hohe Robustheit und Lastenwechselfestigkeit. Mit einem DMX-(Data Matrix Code-)Chip lassen sich verbaute Module bei Bedarf detailliert nachverfolgen.

Das Infineon EconoDUAL3-IGBT-Modul in Halbbrückenkonfiguration verfügt im Vergleich zu Standardmodellen über eine höhere Robustheit gegenüber thermischen Zyklus- und Schockbelastungen. Eine softe Freilaufdiode optimiert zudem das EMV-Verhalten. Die Zielapplikationen liegen bei Hybrid- und elektrisch betriebenen Bussen sowie bei Land- und Baumaschinen. Durch die erhöhte Beständigkeit gegenüber thermischen Zyklen eignen sich die Module auch für hochbelastete Einsätze in der Fördertechnik, z.B. in Hebezeugen oder Aufzügen.

Geringer elektrischer Widerstand dank Kupfer

Wesentliche Voraussetzung für eine höhere Zuverlässigkeit und längere Lebensdauer ist ein mechanischer Aufbau des Modules, der den Anforderungen des Fahr- oder Hebebetriebes gerecht wird. Auf das Substrat, das aus Aluminiumoxyd besteht und beidseitig mit Kupfer versehen ist, sind auf der einen Seite der IGBT- und der Diodenchip aufgelötet, während die andere Seite mit einer 3 mm starken Bodenplatte aus Kupfer verlötet ist. Aufgrund ihres geringeren spezifischen Widerstandswerts ermöglichen die Kupferbonddrähte einen geringeren, internen elektrischen Widerstandswert gegenüber den üblicherweise verwendeten Aluminiumbonddrähten.

Der Lötprozess beeinflusst das Verhalten bei Temperaturwechsel

Die Bodenplatte ist eine wesentliche Voraussetzung für die hohe Zuverlässigkeit des Moduls. Dank ihrer hohen lateralen Wärmeleitung kann sie die Verlustwärme grossflächiger in den Kühlkörper einkoppeln, als dies ohne Bodenplatte möglich wäre. So reduziert dieser Aufbau sowohl das Temperaturniveau als auch den Temperaturhub in den Halbleiterchips. Es kommt deutlich seltener zur Bonddrahtabhebung, da diese direkt vom Temperaturhub abhängt.

Ein kritischer Punkt ist die Delamination der Chip- bzw. DCB-Lötung. Aufgrund der unterschiedlichen Temperaturkoeffizienten der Ausdehnung des Substrates, der Halbleiterchips und der Bodenplatte wird durch die betriebsbedingten Temperaturzyklen ein thermo-mechanischer Stress auf die Lötstellen ausgeübt. Diese periodische Belastung lässt die Lötschicht ermüden und es entstehen Risse. Letztlich führt das dazu, dass sowohl die Lötung der Chips auf dem Substrat als auch die zwischen Substrat und Bodenplatte, von den Ecken her, geschädigt wird und die wärmeleitenden Flächen abnehmen. Um dies zu vermeiden, haben die Entwickler bei den Automotive-qualifizierten Modulen den Lötprozess an die Erfordernisse angepasst.

Harte Tests zeigen Robustheit gegen Temperaturschwankungen

Um die Verbesserungen des Moduls evaluieren zu können, haben die Techniker die Komponenten einem beschleunigten Test mit thermischem Schock unterzogen, der sich an den Betriebszyklen eines Hybrid-Stadtbusses orientiert. Dabei kam das Zweikammerverfahren zum Einsatz, bei dem eine Kammer auf -40 °C und die andere auf 125 °C gehalten wurde. Die Prüflinge werden mit einer Verweildauer von einer Stunde zwischen den Kammern hin und her transportiert. Ziel war es, dass die Module 1000 Zyklen ohne Delamination überstehen.

Bei einem passiven Test mit thermischen Zyklen wurde das Modul auf eine Heiz-Kühlplatte geschraubt. Diese wurde auf eine Temperatur von 25 bis 105 °C gebracht, was einer Temperaturdifferenz von 80 K entspricht. Die Zykluszeit betrug 360 s. Dabei erreichte die Ablösung an den Ecken des Substrates erst nach 25000 Zyklen die Aussenkanten der Chips. Bei einem aktiven Test mit thermischen Zyklen, bei dem die Erwärmung durch die Chips selbst erfolgte, überstanden die Module sogar 35000 Zyklen.

Die Module sind gut geschützt und schnell montiert

Damit konnte der Hersteller nachweisen, dass das verbesserte Modul über deutlich langlebigere Lötverbindungen verfügt, durch die es eine mehr als doppelt so lange Lebensdauer hat als ein Standardmodul beim selben Temperaturhub. Die EconoDUAL3-Module eignen sich somit auch für den rauen Einsatz in der Industrie. Bei der Montage setzten die Entwickler auf die PressFIT-Technologie. Dabei werden die Leiterkarte und der Kühlkörper in einem Arbeitsschritt gefügt. So entsteht eine robuste, gasdichte Kontaktzone, die gegen äussere Einflüsse geschützt ist. Ausserdem reduziert sich die Montagezeit und die Module können auf beiden Leiterplattenseiten angebracht werden.

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Das EconoDUAL3-IGBT-Modul widersteht thermischen Zyklus- und Schockbelastungen


Auf das Substrat sind auf der einen Seite IGBT- und Diodenchip gelötet – auf der anderen Seite befindet sich eine Bodenplatte


Die PressFIT-Technologie erleichtert die Montage

Rutronik im swissT.net

Sektion 15: Elektronische Komponenten