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Der Einsatz von Leistungselektronik in zukunftsorientierten Anwendungsgebieten – beispielsweise Elektromobilität oder Luft- und Raumfahrt – führt zu hohen Anforderungen an die Schaltgeschwindigkeit und Zuverlässigkeit der Module. Gängige Aufbauverfahren stoßen hier oft an ihre Grenzen. Daher beschäftigen sich die Wissenschaftler am IISB mit der Erforschung und Realisierung eines neuen Aufbaukonzepts, das auf der Einbettung von Bauelementen in keramische Schaltungsträger, wie beispielsweise Direct-Copper-Bonded (DCB)-Substrate, basiert. Bei dem neuen Verfahren werden die Leistungshalbleiter in speziell vorbereitete Substrate eingebracht und mit einem Vergussmaterial umschlossen. Das Bild zeigt ein auf diese Weise hergestelltes Leistungsmodul.

Der Trend zur Miniaturisierung und dreidimensionalen Integration führt Leistungsbauelemente und -module an ihre Grenzen, insbesondere im Hinblick auf Temperaturbeständigkeit und hohe Schaltgeschwindigkeiten bei gleichzeitig langer Lebensdauer. Die Anwendbarkeit von etablierten Aufbaukonzepten auf der Basis von PCBs (Printed Circuit Boards) und LTCC (Low Temperature Cofired Ceramic) ist limitiert, beispielsweise hinsichtlich Temperaturbeständigkeit und Stromtragfähigkeit. Abhilfe schafft hier ein neuartiges Aufbaukonzept, das auf der Einbettung der Bauelemente in einen keramischen Schaltungsträger beruht.


Bei dieser als DCB Embedding bezeichneten Technologie werden die Leistungshalbleiter (zum Beispiel Wide-Bandgap-Bauelemente) mit Hilfe einer geeigneten Aufbau- und Verbindungstechnik (Löten oder Sintern) in speziell vorbereitete DCB-Substrate eingebracht und dann mit einem hochtemperaturbeständigen Vergussmaterial umschlossen (siehe Bild unten). Am IISB arbeiten die Forscher jedoch bereits an der Entwicklung von Verfahren zur hermetischen Verkapslung der eingebetteten Bauelemente, wodurch sich der Einsatz der Vergussmaterialien erübrigen wird.

Nahaufnahme eines mittels der DCB-Embedding-Technologie eingebetteten Wide-Bandgap-Bauelements

Eine hohe Strombelastbarkeit wird durch die hohen realisierbaren Kupferschichtdicken ermöglicht. Als Isolationsmaterial können verschiedene keramische Werkstoffe eingesetzt werden. Die Auswahl des geeigneten Materials erfolgt dabei im Hinblick auf die Optimierung von Hochtemperaturbeständigkeit, Wärmemanagement und mechanischen Eigenschaften. Zur Erstellung der elektrischen Verbindungen werden integrierte Vias (Durchkontaktierungen) eingesetzt. Diese werden mit einem Laser gebohrt und mit Silbersinterpaste oder einem anderen metallischen Material gefüllt. Zusätzliche Vias ermöglichen die Herstellung von Mehrschicht-DCB-Stapeln, welche besonders für niederinduktive Anwendungen von Vorteil sind.

Auch in den kommenden Jahren werden sich die Wissenschaftler am IISB weiterhin intensiv der Entwicklung der DCB-Embedding-Technologie widmen, um das volle Potenzial der Wide-Bandgap-Bauelemente für Anwendungen in der Leistungselektronik ausschöpfen zu können.

 

High Temperature Packages for WBG Semiconductors

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