Thermische Beständigkeit trotz mechanischer Spannungen

Jeder Lastwechsel bedeutet für die betroffenen Komponenten zusätzlichen thermischen Stress. Aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten kommt es an den Grenzflächen zu wiederkehrenden mechanischen Spannungen, die mit der Zeit zur Materialermüdung und schlussendlich zum Materialbruch führen können. Besonders die Lötverbindungen als Mittler zwischen Leistungs-Chip und Kupferbahnen sind hiervon betroffen.

Ausschlaggebend ist die Diskrepanz zwischen dem Wärmeausdehnungskoeffizienten des Halbleiters (etwa 2,6 ppm/K) gegenüber dem des Kupfers (16,5 ppm/K). Die Keramiksubstrate Aluminiumoxid (6,8 ppm/K), Aluminiumnitrid (4,7 ppm/K) sowie besonders Siliziumnitrid (2,5 ppm/K) korrespondieren dagegen deutlich besser mit dem Halbleiter.

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Durch das DBC- oder AMB-Verfahren ist die Kupferschicht sehr fest an den keramischen Träger gebunden. Die Ausdehnung dieses Verbundwerkstoffs liegt deutlich unter der des reinen Kupfers. Die gemeinsame Wärmeausdehnung errechnet sich aus dem Produkt der Wärmeausdehnungskoeffizienten, den Elastizitätsmodulen sowie den Dicken der miteinander verbundenen Komponenten. Vereinfacht ausgedrückt: Je dünner die Kupferauflage, je dicker die Trägerschicht, desto geringeren thermischen Spannungen ist das Leistungsmodul ausgesetzt.

Fazit: Damit der Keramikträger nicht zur Achillesferse des Leistungsmoduls wird, hängt seine Auswahl und Dimensionierung ganz entscheidend vom jeweiligen Einsatzzweck und den damit verbundenen Belastungsfaktoren ab. In der Praxis haben sich zum Beispiel folgende Kombinationen bestens bewährt: Für Industrieanwendungen und Solarstromanlagen genügt oft die preiswerteste Lösung aus 0,38 mm starkem Aluminiumoxid, verbunden mit einer 0,3 mm dicken Kupferschicht. Für Anwendungen im Hochspannungsbereich benötigt man dagegen einen dicken Keramikträger mit großem Isolationswiderstand und gleichzeitig hoher Wärmeleitfähigkeit. In diesen Fall ist 0,63 mm starkes Aluminiumnitrid mit 0,3 mm dicker Kupferschicht das Mittel der Wahl.

Für den Automobil-Sektor, in der maximale Zuverlässigkeit bei hoher Leistungsdichte sowie zudem großer thermischer und mechanischer Beanspruchung gefordert ist, empfiehlt sich 0,32 mm dickes Siliziumnitrid im Verbund mit 0,8 mm starkem Kupfer. Kann in diesem Fall die thermische Belastung gering gehalten werden, dann ist Zirkon- dotiertes Aluminiumoxid (ZTA) eine preisgünstige Alternative.

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Rogers Power Electronics Solutions (PES) hat seine über 40-jährige Expertise in einem Web-Portal zusammengefasst unter www.rogerscorp.com/designhub. Der PES Design Support Hub liefert Entwicklern u.a. umfangreiche technische Informationen über keramische curamik-Substrate. Darüber hinaus sind technische Artikel über Produkt-Design, Problemlösungen und hilfreiche Videos über Leistungsverteilung sowie viele weitere Themen abrufbar. Der Design Hub unterstützt dabei, das Leistungspotenzial und Wärmemanagement ihrer Schaltungen zu optimieren. So können sie qualitativ hochwertige und zuverlässige neue Produkte entwickeln. Für den kostenlosen Zugang und die Nutzung des Portals ist eine kurze Registrierung notwendig.

Rogers Corporation hat mehr als 180 Jahre Erfahrung im Bereich der Werkstoffwissenschaften. Entsprechende Leistungselektroniklösungen wurden für beispielsweise energieeffiziente Motorantriebe, Fahrzeug-Elektrifizierung und alternative Energien, Hochleistungsschaumstoffe für Abdichtungen, Vibrationsmanagement und Aufprallschutz bei mobilen Geräten, Innenanlagen von Verkehrsmitteln, Industrieausrüstungen und Funktionsbekleidung entwickelt. Firmenhauptsitz ist in Chandler im US-Bundesstaat Arizona.

* Olivier Mathieu ist Product Innovation Manager bei Rogers Corporation, Eschenbach.

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