Internes Verbindungsdesign:
Für ein effizientes und hochzuverlässiges Modul ist ein gut durchdachtes internes Verbindungssystem unerlässlich (Abbildung 2). Beim SKiM wurden die Verbindungen unter Berücksichtigung folgender Designparameter entwickelt:

– Lötfreie, induktivitätsarme Verbindungen zwischen den Leistungsanschlüssen und den Chips.
– Fähigkeit zur Übertragung hoher Ströme bei minimalen Verlusten.
– Symmetrische Strompfade für eine gute Stromverteilung zwischen den parallel geschalteten Chips.
– Druckpunkte in Chipnähe für geringen Wärmewiderstand.

Die Sandwichstruktur mit parallelen Strompfaden auf jedem Chip gewährleistet eine sehr geringe interne parasitäre Induktivität. Die LCE-Induktivität zwischen den DC- und AC-Anschlüssen beträgt weniger als 10 nH, die Gesamtinduktivität zwischen DC+ und DC- weniger als 20 nH. 

Eine Finite-Elemente-Analyse hat gezeigt, dass der größte Teil der Induktivität auf den Abstand zwischen den Anschlüssen DC+ und DC- zurückzuführen ist. In der Entwurfsphase wurden FEM-Simulationen durchgeführt, die eine Optimierung des Designs und eine Reduzierung der Induktivität um bis zu 30 % (-10 nH) ermöglichten. Eine weitere Verbesserung ist nicht möglich, da die Sandwichstruktur, die eine geringere Induktivität erzeugt, aufgrund der erforderlichen Isolation zwischen DC+ und DC- nicht eingesetzt werden kann. Die einzige Möglichkeit, eine noch größere Induktivitätsreduzierung zu erreichen, bestünde in der Verwendung von Parallelschaltungen zum Kondensatorbus.

Zu den Vorteilen dieser Konstruktion für Anwender zählt unter anderem der geringe Schaltstrom, der den Betrieb des Moduls bei höheren Spannungen und ein sanftes Abschalten auch im Kurzschlussfall ermöglicht. Dieses Schalten ohne hohe Ströme gewährleistet geringe Schaltverluste und niedriges elektromagnetisches Rauschen. Dank
jüngster Entwicklungen in der Halbleitertechnologie konnte die Leistungsdichte über den gesamten Gehäusebereich erhöht werden. Der Nennstrom der Chips in den 600-V-SKiM-93-Modulen beträgt 900 A und ist damit fast doppelt so hoch wie der Nennstrom von Standardmodulen. Dieser Stromwert übersteigt auch die durch die Strombelastbarkeit der Leistungsanschlüsse der IGBT-Module festgelegte Grenze. Das in den SKiM-Modulchips verwendete Material verleiht dem Modul einen Gesamtwiderstand rcc'-ee', einschließlich Kontaktwiderstand, von nur 300 µΩ, was der Hälfte des Wertes herkömmlicher Module entspricht. Gleichzeitig garantieren die hohen Kontaktkräfte einen niedrigen Kontaktwiderstand. 

Die entstehenden Verluste werden über die zahlreichen Kontaktpunkte schnell über die DBC-Oberfläche und den Kühlkörper abgeleitet.
Im Wechselrichterbetrieb fließen die höchsten Ströme durch den AC-Anschluss. Daher befindet sich dieser Anschluss an der Unterseite der Sandwichstruktur, da hier die besten Kühlbedingungen herrschen. Das Modul ist für einen effektiven AC-Ausgangsstrom von 600 A bei einer Kühlkörpertemperatur von 70 °C ausgelegt. Dieser Wert übersteigt den höchsten Ausgangsstrom, für den die Chips ausgelegt sind (siehe Tabelle 1). Dadurch wird sichergestellt, dass die Anschlusstemperatur selbst bei Leistungsverlusten von rund 2000 W unter 125 °C bleibt (siehe Abbildung 2).

DCB-Layout:
Das DCB-Design und die Chipplatzierung sind für das Schaltverhalten und den thermischen Widerstand der Halbleiter von entscheidender Bedeutung. Ein asymmetrisches Design kann leicht zu einer ungleichmäßigen Stromverteilung von 10 % oder mehr zwischen den einzelnen Chips führen. In diesem Fall wird der Gesamtausgangsstrom durch das Bauteil mit den höchsten Verlusten begrenzt. 

Spannungsschwankungen aufgrund parasitärer Induktivitäten können Schwingungen zwischen parallel geschalteten Chips verursachen und zu unterschiedlichen Schaltgeschwindigkeiten führen. Um synchrones Schalten zu gewährleisten, müssen die Induktivitäten möglichst gering sein und vor allem alle Chips gleich stark beeinflussen. Eine Schaltung mit zwei IGBTs links und rechts sowie einer Freilaufdiode in der Mitte garantiert geringe Induktivität und gute Schaltleistung. Der Schaltstrompfad zwischen IGBT und Diode ist so kurz wie möglich und hat für den oberen Teil des Schalters (TOP) die gleiche Länge wie für den unteren Teil des IGBT-Zweigs (siehe Abbildung 3).
Abbildung 4 zeigt das Schaltverhalten eines SKiM-63-Moduls bei 600 A und 900 V DC. Die Schaltverluste, Spannungsspitzen und die Anstiegsgeschwindigkeit (di/dt) sind für die oberen und unteren IGBTs nahezu identisch. Dies trifft jedoch nicht auf alle Module zu, da in vielen Fällen Unterschiede aufgrund unterschiedlicher parasitärer Induktivitäten im Strompfad auftreten.

Um die Leistungsfähigkeit der Komponenten voll auszuschöpfen, ist eine gute Stromverteilung zwischen den parallel geschalteten Chips im Modul unerlässlich. Die Impedanz der DC+- und DC--Strompfade muss für alle Chips gleich sein, und der Einfluss des Stroms auf die Triggerschaltung muss alle Chips gleichermaßen betreffen.
Die erste Bedingung wird durch die Verwendung eines Sandwich-Leiterplattensystems erfüllt. Das Magnetfeld bleibt beim Umschalten des Stroms von DC+ auf DC- nahezu unverändert. Die Induktivitäten der Leistungsanschlüsse sind gekoppelt und daher vernachlässigbar. Die Impedanz ist über alle parallel geschalteten Chips identisch.
Auch die zweite Anforderung wurde bei der Entwicklung dieses Moduls berücksichtigt. Alle IGBTs weisen die gleiche Gate-Emitter-Spannung auf, selbst unter dynamischen Bedingungen. In der IGBT-Dioden-IGBT-Konfiguration heben sich die durch di/dt verursachten Spannungsabfälle gegenseitig auf, sodass alle Chips gleichermaßen vom Spannungsabfall an den Bonddrähten betroffen sind. Das Ergebnis ist eine sehr gute Stromverteilung, selbst unter extremen Kurzschlussbedingungen.

Wärmewiderstand (Rth):
Die neue Chipgeneration mit geringem Spannungsabfall in Durchlassrichtung und hohen Sperrschichttemperaturen (bis zu 175 °C) ermöglicht sehr hohe Strombelastbarkeiten in diesen Modulen. Die Stromdichte kann sogar 2 A/mm² überschreiten. Durch die Wahl der geeigneten Chipgröße lässt sich ein optimales Verhältnis zwischen Strombelastbarkeit, Kühlbedarf und Kosten erzielen.

Der Wärmewiderstand (Rth) hängt von der Chipgröße, aber auch vom Abstand zwischen den Chips ab (siehe Abbildung 5). Große Chips weisen einen großen Temperaturgradienten über ihre Fläche auf, was zu einer schlechten Wärmeleitung innerhalb des Moduls führt. Durch die Anordnung mehrerer kleinerer Chips mit gleicher effektiver Fläche, aber geringem Abstand zueinander, lässt sich Rth verbessern. Bei geringem Abstand zwischen den Chips entsteht ein Wiedererwärmungseffekt. Ist der Abstand hingegen groß, sinkt der Wärmewiderstand. Die SKiM-Familie bietet den optimalen Kompromiss zwischen höchster Wärmeleistung und maximaler effektiver Fläche: Sie zeichnet sich durch eine Fläche von 60 bis 80 mm² und einen Chipabstand von 3 mm aus.
Druckkontakte auf beiden Seiten der Chips verhindern ein Verziehen der Keramikbasis. Dadurch kann die benötigte Dicke der Wärmeleitpaste von 80–100 µm bei herkömmlichen Modulen auf 20–30 µm bei SKiM reduziert werden, was den Wärmewiderstand des Kontakts zwischen Modul und Kühlkörper verbessert. Darüber hinaus verbessern die hervorragenden Wärmeleiteigenschaften der dünnen, gesinterten Silberschicht, die den Chip mit der Keramiksohle verbindet, den Wärmewiderstand Rth des SKiM-Moduls im Vergleich zu herkömmlichen Modulen, bei denen der Chip auf die Keramiksohle gelötet wird, zusätzlich.

Zuverlässigkeit:
Die herkömmliche Lösung mit Leistungsmodulen mit verlöteter Kupfersohle ist für die anspruchsvollen Temperaturzyklen in Automobilanwendungen ungeeignet. Die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der verwendeten Materialien erzeugen mechanische Spannungen an den Lötstellen, die zu Materialermüdung führen. Ein Druckkontaktmodul ohne Kupfersohle stellt die Alternative zu herkömmlichen Lösungen dar. Darüber hinaus reduzieren der geringe Wärmewiderstand und die homogene Verteilung der Wärmepunkte die Temperaturdifferenz zwischen den verschiedenen Modulteilen und verlängern so dessen Lebensdauer. 

Um die Beständigkeit gegenüber Lastzyklen, auch bei hohen Betriebstemperaturen, zu verbessern, nutzt die SKiM-Modulfamilie ein Niedertemperatur-Sinterverfahren zur Verbindung der Chips mit der Keramikgrundplatte (DCB). Würde diese Verbindung, wie bei anderen Industriemodulen üblich, gelötet, käme es zu Alterungsprozessen, die den Wärmewiderstand erhöhen und letztendlich zum Ausfall des Moduls führen würden. Die Sinterverbindung wird durch eine dünne Silberschicht mit hoher Wärmeleitfähigkeit erzielt. Der Schmelzpunkt von Silber liegt bei 900 °C und damit deutlich über der maximal zulässigen Chiptemperatur von 175 °C. In Tests mit gesinterten Modulen wurde kein Ermüdungseffekt beobachtet (siehe Abbildung 6). Durch die Eliminierung dieses Ausfallmechanismus wird die Gesamtzuverlässigkeit des Systems signifikant erhöht. 

Dank der Verwendung von Druck- und Federkontakttechnologie und dem Verzicht auf Kupfersockel bei verlöteten Chips entfällt bei SKiM-Modulen das Löten vollständig. Da die verwendeten neuen IGBT-Chips zudem Temperaturen bis zu 175 °C standhalten, ermöglichen SKiM-Module ein kompaktes Design der Leistungswandler sowie eine unübertroffene Leistungsdichte, Zuverlässigkeit und Temperaturwechselbeständigkeit.

Autor:

Dr. Arendt Wintrich, Anwendungsmanager SEMIKRON

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