Ein Pionier in der Aufbau- und Verbindungstechnik

Als Pionier in der Aufbau- und Verbindungstechnologie (AVT) von Leistungsmodulen hat SEMIKRON bereits 1975 das weltweit erste isolierte Leistungshalbleiter Modul mit Bipolar Chips vorgestellt. Dieser Konstruktion folgten eine Vielzahl innovativer Weiterentwicklungen, deren Meilensteine im Bild 1 aufgeführt sind.

Meilensteine in der Geschichte des SEMIKRON Produktportfolios

Kontinuierliche Weiterentwicklung

Im Jahr 1989 folgte das erste IGBT basierte Standardmodul, dessen Konstruktion noch heute nah mit dem ursprünglichen Aufbau verwandt ist. Bild 2 zeigt beispielhaft den Aufbau eines 34mm Moduls. Auf einer Kupferbodenplatte - gleichzeitig Montagefläche zu Kühleinrichtung - sind ein oder mehrere "Direct Copper Bond" Keramikplättchen gelötet, bestehend aus einem dünnen, beidseitig mit Cu beschichteten Al2O3 oder AlN Isoliersubstrat.

Auf die DCB Oberseite sind die Chips mit ihrer Unterseite aufgelötet (IGBT: Kollektor, Dioden: meist Katode). Die Chipoberseiten (IGBT: Gate- und Emitter, Diode: Anode) sind mittels paralleler Al-Bonddrähte zu entsprechenden Pads des DCB-Substrats kontaktiert. Auf diese Pads sind entweder die Terminals des Moduls direkt aufgelötet oder es existieren weitere Löt- oder Bondverbindungen zu mechanisch im Modulgehäuse verankerten Anschlüssen.

Die kontinuierliche Weiterentwicklung der Aufbau und Verbindungstechnologie von Leistungsmodulen ist einerseits von Kosteneffekten bei Fertigung und Verarbeitung der Module und andererseits von immer höheren Anforderungen an die Moduleigenschaften getrieben.

Hierzu gehört eine optimale Ableitung der in den Halbleitern entstehenden Verlustwärme an die Kühleinrichtung, sowohl statisch als auch bei Kurzzeitbelastungen. Mittels effizienter Kühlung können Leistungsmodule hocheffektiv ausgelastet werden - ein "Muss" für hohe Leistungen und möglichst niedrige Halbleiterkosten, weshalb auch von Chipgeneration zu Chipgeneration die zulässigen Temperaturen der IGBT- und Diodenchips erhöht wird. Hohe Chip-Betriebstemperaturen und effiziente Wärmeabführung verschärfen jedoch die Anforderungen an Temperatur- und Lastzyklenfestigkeit des Modulaufbaus, was eine kontinuierliche Weiterentwicklung der Aufbau- und Verbindungstechnologien erfordert.

Mit den nachfolgend beschriebenen Technologien SKiiP®, SPRiNG, SKiNTER® und SKiN®, die in erfolgreich im Markt positionierten Leistungsmodulen eingesetzt sind, ist SEMIKRON einer der Schrittmacher dieser Entwicklung.

Aufbaubeispiel eines isolierten IGBT Standardmoduls