Da die Leistungsfähigkeit von SiC-Chips jedoch an ihre theoretische Grenze stößt, verlagert sich der Fokus der Verbesserung auf eine andere Komponente des Moduls, die bisher weniger Beachtung fand: das Gehäuse.
Das Gehäuse ist nicht nur ein Behälter. Es ist die Struktur, die die Chips auf dem isolierenden Substrat elektrisch verbindet, die interne Schaltung bildet und sie vor mechanischen Vibrationen und Umwelteinflüssen schützt. Genau diese Struktur ist eine bedeutende Quelle parasitärer Induktivität, zusätzlicher Verluste und Lebensdauerbegrenzungen aufgrund thermomechanischer Ermüdung. Um die Leistung von SiC-Chips zu maximieren, sind kompaktere Gehäuse mit geringeren Leistungsverlusten erforderlich.
Die Lösung: Dreidimensionale Verbindung mit Leiterplatte und Kontaktstiften.
Fuji Electric hat eine dreidimensionale (3D) Verdrahtungsstruktur als neue Gehäusetechnologie entwickelt, um die Miniaturisierung und geringere Leistungsverluste in SiC-Leistungshalbleitermodulen zu erreichen.
Der konzeptionelle Fortschritt gegenüber herkömmlichen Designs ist erheblich. Traditionell wurden Drähte und Klemmen verwendet, um die Chips auf dem isolierenden Substrat zu verbinden. In der neuen Struktur wird diese Verdrahtung durch eine Leiterplatte (PCB) ersetzt, die dreidimensional über in die Platine eingepresste Kontaktstifte verbunden ist.
Die Verwendung einer Leiterplatte als internes Verbindungselement ist nicht trivial. Verglichen mit den Aluminiumdrähten oder Kupferklemmen, die jahrzehntelang die Leistungselektronik-Gehäusetechnik dominierten, ermöglicht eine Leiterplatte die Definition von Strompfaden mit wesentlich höherer geometrischer Präzision, die gleichmäßigere Stromverteilung zwischen parallelen Chips und die Reduzierung der effektiven Länge von Stromschleifen, die parasitäre Induktivität erzeugen. Die Verbindung mittels eingepresster Kontaktstifte – anstelle von Lötverbindungen – bietet einen zusätzlichen Vorteil hinsichtlich der Reproduzierbarkeit des Fertigungsprozesses und der Kontrolle thermomechanischer Verformung.
Quantifizierte Ergebnisse: Drei simultane Verbesserungen
– Volumenreduzierung: -50 %
Die neue Struktur reduziert das Produktvolumen im Vergleich zum herkömmlichen Produkt um ca. 50 %. Bei einem Elektrofahrzeug, dessen Antriebssystem mit Batterie, Motor und Kühlsystemen um Platz konkurriert, hat eine Volumenreduzierung dieser Größenordnung im Halbleitermodul direkte Auswirkungen auf die mechanische Konstruktion des Antriebsstrangs und die Möglichkeit einer Vergrößerung des Fahrgastraums.
– Reduzierung der parasitären Induktivität: -70 % → Schaltverluste -50 %
Durch die Optimierung des Strompfads mithilfe der 3D-Verdrahtungsstruktur wurde die parasitäre Induktivität des internen Schaltkreises im Vergleich zum herkömmlichen Produkt um ca. 70 % reduziert, was zu einer Reduzierung der Schaltverluste um ca. 50 % führt.
Dieses Ergebnis erfordert weitere Untersuchungen. Die parasitäre Induktivität im Schaltkreis eines Leistungs-MOSFET-Moduls ist direkt für den Spannungsüberschwinger beim Abschalten verantwortlich. Je höher die Schleifeninduktivität, desto größer der Spannungsstoß und desto größer die erforderliche Spannungsreserve des Chips – was sowohl die Bauteilauswahl als auch die maximal zulässige Schaltfrequenz beeinträchtigt. Durch die Reduzierung der parasitären Induktivität um 70 % kann der Chip schneller mit geringerer Überspannung schalten, die intrinsische Kapazität von SiC besser nutzen und die Verluste in jedem Schaltzyklus reduzieren.
– Verbesserung der Lebensdauer der Lötstellen: ×5.
Die leitfähige Pin-Verbindungsstruktur reduziert die Chip-Lötstellenfläche im Vergleich zur herkömmlichen Lösung. Durch die Reduzierung der durch thermische Verformung an dieser Lötstelle entstehenden Spannungen wird die Lebensdauer der Lötstelle um etwa das Fünffache verbessert.
Lötstellenermüdung ist der Hauptdegradationsmechanismus für Leistungsmodule in Traktionsanwendungen, wo kontinuierliche und hochamplitudige Temperaturwechsel auftreten. Die Tatsache, dass die neue leitfähige Pin-Geometrie – durch Reduzierung der Kontaktfläche und bessere Verteilung der mechanischen Spannungen – die Lebensdauer der Lötstelle verfünffacht, stellt einen qualitativen Sprung in der Zuverlässigkeit des Moduls dar und wirkt sich direkt auf die Wartungsintervalle und die Ausfallrate im Feld aus.
Kontext: Das Rennen um die Reichweite von Elektrofahrzeugen.
Mit dem mittel- bis langfristigen Wandel hin zur Dekarbonisierung wird erwartet, dass elektrifizierte Fahrzeuge weit verbreitet sein werden. Ihre Antriebsstränge bestehen aus einem Motor und einem Wechselrichter, der Energie aus der Batterie bezieht, um den Motor anzutreiben. Um die Herausforderungen der Reichweitenverbesserung und der Vergrößerung des Innenraums zu meistern, ist es notwendig, den elektrifizierten Antriebsstrang zu miniaturisieren und seine Effizienz zu steigern.
Der Zusammenhang zwischen Wechselrichterverlusten und Fahrzeugreichweite ist direkt: Jedes Watt, das im Halbleitermodul verloren geht, ist Energie, die nicht am Rad ankommt. Bei der typischen Leistung eines Traktionswechselrichters (zehn bis hunderte Kilowatt) führt eine Reduzierung der Schaltverluste um 50 % zu einer signifikanten Verbesserung der Gesamteffizienz des Systems und damit zu einer höheren Reichweite pro Ladung.
Kommerzialisierungsstrategie
Diese Technologie wird im Laufe des Geschäftsjahres 2026 in den Leistungshalbleitermodulen des Unternehmens Anwendung finden. Fuji Electric verfügt über langjährige Erfahrung in der Entwicklung und Herstellung von IGBT- und SiC-Modulen für Traktionsanwendungen und ist sowohl bei Fahrzeugherstellern als auch bei Tier-1-Zulieferern von Antriebssystemen vertreten.
Fazit:
Die von Fuji Electric entwickelte 3D-Verdrahtungsstruktur stellt einen bedeutenden Fortschritt dar, nicht nur aufgrund der erzielten numerischen Werte – halbes Volumen, 70 % Reduzierung der parasitären Induktivität, halbe Schaltverluste und fünffache Lebensdauer der Verbindungen –, sondern auch aufgrund der Stimmigkeit der Lösung: Eine einzige Designentscheidung im Gehäuse verbessert gleichzeitig Leistungsdichte, Wirkungsgrad und Zuverlässigkeit – die drei Parameter, die die Wettbewerbsfähigkeit eines SiC-Moduls in Traktionsanwendungen bestimmen. Mit der geplanten Markteinführung im Jahr 2026 wird die Elektrofahrzeugindustrie Zugang zu Modulen mit einem deutlich besseren Leistungs-Volumen-Verhältnis als die aktuelle Generation erhalten.
