Auswahl von Keramiksubstraten für Leistungsschaltungen

Aktuelle Leistungsschaltungen werden nicht nur immer dichter gepackt, sondern sollen gleichzeitig auch stets höheren elektrischen Leistungen gerecht werden. Bei der Auswahl und Dimensionierung der Aufbau- und Verbindungstechnik bedeutet das den Kompromiss aus sich widersprechenden Forderungen nach hohem Isolationswiderstand, effizienter Wärmeableitung und thermischer Stabilität.

Der wesentliche Aufbau eines Leistungsmodul ist bekannt: Halbleiterchip mit dicht gepackten Leistungstransistoren wie MOSFETs oder IGBTs, Kupferleiterbahnen und die mechanische Trägerplatte. Die Kupferleitbahnen dienen nicht nur der elektrischen Leitung, sondern auch der thermischen Führung von Verlustwärme. Die Trägerplatte des Moduls soll den Schaltkreis nach innen und außen isolieren, die Verlustleistung in Form von Wärme abführen sowie für die mechanische Stabilität des Moduls garantieren.

Für die Trägerplatte stehen aktuell die folgenden keramischen Substrate zur Auswahl: Aluminiumoxid (Al₂O₃), Zirkoniumoxid dotiertes Aluminiumoxid (ZTA = Zirconia Toughened Aluminium; Handelsname HPS = High Performance Substrate), Aluminiumnitrid (AlN) sowie Siliziumnitrid (Si₃N₄). Abgesehen vom Preis (Aluminiumoxid ist preiswert & Aluminiumnitrid teuer) unterscheiden sie sich auch in ihren physikalischen Eigenschaften, insbesondere was Wärmeleitfähigkeit, Wärmeausdehnung sowie mechanische Festigkeit angeht.

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Die Kupferleitbahnen werden momentan mittels zweier Verfahren auf der Trägerkeramik fixiert: Bei Siliziumnitrid geschieht dies mittels Active Metal Brazing, kurz AMB, bei dem das Kupfer in einem Hartlötverfahren bei rund 800 °C mit dem Träger verbunden wird. Bei den Verbindungen mit Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid wird dagegen das DBC-Verfahren (Direct Bonded Copper) angewendet. Hier wird das Kupfer zunächst oxidiert und anschließend bei rund 1065 °C in einem eutektischen Prozess mit dem Oxid des Trägermaterials verbunden. Die Leistungshalbleiter werden auf die Kupferbahnen gelötet.

Die Isolationsspannung bestimmt die Mindestdicke

Die wichtigste Aufgabe des keramischen Trägers ist die elektrische Isolation des kompletten Leistungsmoduls nach außen. Ausschlaggebend ist hierbei nicht die normale Betriebsspannung, sondern die sicherheitsrelevante Isolationsspannung. Auch in Elektro- und Hybridfahrzeugen wird mit immer höheren Spannungen gearbeitet, um bei gestiegenen Leistungsanforderungen die elektrischen Ströme niedrig zu halten.

Die Trägerkeramik muss den Durchbruch der Isolationsspannung zuverlässig verhindern. Ihre Höhe wird durch den Hersteller des Leistungsmoduls sowie gemäß internationaler Normen und Vorschriften festgelegt und findet sich im Datenblatt des Moduls wieder.

Der elektrische Widerstand des Keramikträgers ist proportional zu seiner Dicke. Er liegt für die hier behandelten Keramiksubstrate bei etwa 20 kV/mm. So isoliert etwa eine Platte aus 0,38 mm dickem Aluminiumoxid Spannungen bis 6 kV, ein 0,68 mm starker Träger aus Aluminiumnitrid 13 kV. Die geforderte Isolationsspannung bestimmt die Mindestdicke der keramischen Trägerplatte. Dieser Wert ist die Grundlage für alle nachfolgenden Entscheidungen.

Leitverluste und Schaltverluste wirksam abführen

Wenn elektrischer Strom fließt, dann entsteht Wärme. Auch effiziente Leistungshalbleiter mit großem Wirkungsgrad und hoher Betriebstemperatur sind davon nicht ausgenommen. Je niedriger die Betriebstemperatur gehalten werden kann, desto besser ist es für die Lebensdauer des Leistungsmoduls.

Bei IGBTs errechnet sich die abzuführende Verlustleistung aus der Kollektor-Emitter-Spannung multipliziert mit dem Kollektor-Strom. Zusätzlich zu den Leitverlusten sind auch noch die Schaltverluste zu berücksichtigen. Praktischerweise muss man die Verlustleistung nicht selbst berechnen, sondern kann sie für das gewünschte Modul aus dessen Datenblättern entnehmen. Für ein handelsübliches Leistungsmodul, wie zum Beispiel Infineons HybridPACK Drive, sind es annähernd 670 W, die als Wärme abgeführt werden müssen. Dies geschieht teilweise mittels Konvektion. Die Wärme muss jedoch zunächst durch die Kupfer- und die damit verbundene Keramikschicht als limitierenden Faktor abfließen.

Bei den in Frage kommenden Keramiksubstraten ist die Spanne zwischen den spezifischen Wärmeleitfähigkeiten relativ breit: Bei 20 °C reicht sie von Aluminiumoxid mit mageren 24 W/(m*K) über Siliziumnitrid mit immerhin 90 W/(m*K) bis hin zum am besten leitenden Aluminiumnitrid mit 170 W/(m*K).

Es gibt jedoch noch zwei weitere Parameter, mit denen sich der Wärmefluss steigern lässt: Da ist einmal die Dicke des Keramikträgers, dessen Reduzierung allerdings durch die Höhe der geforderten Isolationsspannung begrenzt ist. Erfolgversprechender ist es die Fläche und Dicke der Kupferauflage zu variieren. Breitere Leiterbahnen sorgen für eine bessere Wärmeableitung vom Leistungs-Chip. Eine dickere Kupferschicht verteilt die Verlustleistung gleichmäßiger auf dem keramischen Träger. Durch eine geschickte Variation dieser Parameter lässt sich zum Beispiel unter Umständen das teurere Siliziumnitrid durch preiswerteres Zirkon-dotiertes Aluminiumoxid ersetzen.

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