Zwanzig Jahre Innovation in der Leistungselektronik

Vor 20 Jahren wurde mit dem MiniSKiiP ein neuer Standard in der Leistungselektronik gesetzt. Durch das einzigartige Design mit Federkontakten zur lötfreien Leiterplattenmontage werden kürzeste Montagezeiten, einfaches Leiterplattendesign und eine überragende Zuverlässigkeit erreicht – und dadurch unmittelbare Kostenvorteile.

Mit über 35 Millionen Modulen im Einsatz hat MiniSKiiP die Welt der Leistungselektronik revolutioniert. Es ist das erste Modul mit voraufgetragener Wärmeleitpaste und eines der ersten industriellen Standardmodule mit Siliziumkarbid-Technologie. Es deckt als einziges Modul einen Leistungsbereich von 1 bis 90 kW ab und stellt somit eine durchgehende Umrichterlösung dar.

Wesentliche Vorteile der MiniSKiiP-Module sind die außerordentlich einfache Montage sowie die servicefreundlichen Federkontakte der Last- und Steueranschlüsse. Im Vergleich zu konventionell gelöteten Modulen, welche teure Lötanlagen und dadurch zeitaufwändige Lötprozesse verlangen, erfolgt die Montage der MiniSKiiP-Baugruppe ohne spezielle Werkzeuge. Die Leiterplatte, das Leistungsmodul und der Kühlkörper werden gemeinsam in einem einzigen Schritt mit nur einer oder zwei Schrauben montiert.

Ein Lösungskonzept ist die Optimierung der thermischen Widerstandsschicht zwischen Chip und Kühlkörper. Dank der einzigartigen Aufbautechnologie von SEMIKRON werden Ausgangsstromkapazität und infolgedessen die Leistungsdichte um mehr als 30% gesteigert – bei gleichbleibendem physikalischem Chipsatz und unveränderter Modulgröße.

Mit etwa 50% ist das Thermische-Interface Material (TIM) für den größten Teil des thermischen Widerstands zwischen Chip und Kühlkörper (R_th(j-s)) verantwortlich. Daher ist es sinnvoll, sich zunächst auf die Optimierung dieser Schicht zu konzentrieren.

Hauptaufgabe des TIM ist die thermische Kopplung/Verbindung/Überbrückung der beiden Oberflächen von Modulboden und Kühlkörper durch Glätten der Oberflächenrauigkeit bei minimaler Schichtdicke/-stärke. Warum erzielt die eine Paste ein besseres Ergebnis als eine andere und warum ist sie besser als ein Wärmeleitpad? Die Antwort liegt in der Zusammensetzung des TIM, wobei die beiden Hauptbestandteile – das wärmeleitfähige Füllmittel (Partikel) und der Trägerstoff – die Benetzbarkeit bestimmen.

Der entscheidende Faktor für den thermischen Widerstand des Hauptteils der TIM-Schicht (R_th,bulk) ist der Füllgrad, während die Wärmeleitfähigkeit der einzelnen Partikel einen geringeren Einfluss hat. Der Füllgrad gibt die Menge des leitfähigen Materials in einer Zusammensetzung an. Der thermische Widerstand der Kontaktschichten in der Nähe von Metallflächen (R_th,contact) wird jedoch vorwiegend von der Größe der Partikel und der Größenverteilung dieser Partikel bestimmt.

Aus diesem Grund müssen für einen optimalen thermischen Gesamtwiderstand R_{th, TIM} der Füllgrad, die Partikelgröße, die Größenverteilung und, weniger entscheidend, die Wärmeleitfähigkeit der Partikel, verbessert werden. Dies geschieht durch die Hochleistungs-Wärmeleitpaste von SEMIKRON (HPTP).

Der Zusammenhang zwischen Füllgrad und Gesamtleitung ist auch bei der Hochleistungs-Wärmeleitpaste zu beobachten: Der Wert für die Wärmeleitfähigkeit ist laut Datenblatt durchschnittlich, während die Wärmeleitfähigkeit bei der Anwendung am Leistungsmodul ausgezeichnet ist, wie ein umfassender Benchmark-Test gezeigt hat.

Neben diesen Faktoren haben auch das Leistungsmodul und die Montagebedingungen einen bedeutenden Einfluss auf die Leistung der HPTP. Daher müssen Dicke und Verteilung der Wärmeleitpaste für jeden Leistungsmodultyp optimiert werden.

Die HPTP ist für verschiedene bodenplattenlose Leistungsmodule verfügbar, jeweils mit optimiertem Druckmuster. Jedes vorbedruckte Modul wird umfassenden Qualitätsprüfungen unterzogen, um die langfristige Beständigkeit und Leistung des TIM in der Anwendung sowie die Lagerfähigkeit vor der Montage sicherzustellen. Neben Industrieanwendungen werden auch anspruchsvollere Anforderungen, wie Automobilstandards, erfüllt.

Der zweite Faktor des thermischen Gesamtwiderstandes ist das Keramikmaterial und auch hier ist eine Optimierung sinnvoll. Es gibt zahlreiche Alternativen zu den heute verwendeten Direct Bonded Copper (DBC) Substraten mit Aluminiumoxid (Al₂O₃). In Anbetracht der thermischen und mechanischen Eigenschaften sind Keramiksubstrate mit Siliziumnitrid (Si₃N₄) und AMB (Active Metal Brazen) ideale Kandidaten, die im Vergleich zu Al₂O₃ die Wärmeleitfähigkeit um das Vierfache und die wesentlichen mechanischen Eigenschaften um ein Vielfaches steigern.

Die Vorteile dieser Komponenten bei der Optimierung des thermischen Widerstands und der Ausgangsstromkapazität sind enorm. Auf der Grundlage eines MiniSKiiP mit Gehäusegröße 3 mit 6-Pack-Topologie wurde eine typische Motorantriebsanwendung simuliert. Durch den Austausch der Standardwärmeleitpaste gegen HPTP bei dem vorhandenen Modul auf einem Al2O3-Substrat verringerte sich der thermische Widerstand um 34%. Bei einer Standard-Motorantriebsanwendung mit 4kHz mit einer 10 Sekunden langen Überlastung von 200% ist das Ergebnis ein bemerkenswerter 20% höherer Ausgangsstrom im gleichen Betriebstemperaturbereich.

Wird zusätzlich zur Verwendung der Hochleistungs-Wärmeleitpaste das Al₂O₃-Substrat durch Si₃N₄ ersetzt, verringert sich der thermische Widerstand um 54% und die Ausgangsleistung und somit die Leistungsdichte des Moduls werden um 34% gesteigert.

Dies zeigt, dass die Kombination aus einem innovativen Thermische-Interface Material und einer modernen Substrattechnologie in den Leistungsmodulen die Ausgangsleistung einer Motorantriebsanwendung deutlich steigert. Und dies, ohne dabei die Lebensdauer des Moduls zu beeinträchtigen.

Champion der Leistungsdichte

Kombination der neuesten Technologien zur Erhöhung der Lebensdauer und Leistung von MiniSKiiP:

• Si3N4: Siliziumnitrid-Keramik zur Verringerung des thermischen Widerstands (Rth(j-s)) und Steigerung von Ausgangsleistung, Lebensdauer und mechanischer Robustheit für anspruchsvolle Umrichteranwendungen
• HPTP: Neue Hochleistungs-Wärmeleitpaste (High Performance Thermal Paste) mit hervorragender  Performance, die den thermischen Widerstand weiter senkt und somit noch höhere Ausgangsleistungen oder geringere Sperrschichttemperaturen und somit eine längere Lebensdauer ermöglicht
• AlCu-Bonddrähte: Erhöhung der Lastwechselfestigkeit von MiniSKiiP
• Ultradur-Gehäuse: Einsatzbereit für höhere Gehäuse- und Betriebstemperaturen