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Fraunhofer IISB: Leistungsmodule mit neuem Packaging-Konzept

Das Fraunhofer IISB hat ein neues Packaging-Konzept entwickelt, das es erlaubt, Leistungshalbleiterbauelemente in keramische Schaltungsträger einzubetten, die hohe Temperaturstabilität, den Betrieb bei hohen Spannungen und eine hermetische Abdichtung in rauen Umgebungen ermöglichen.

Keramische Embedding-Technologie Bildquelle: © Fraunhofer IISB

Ein in der keramischen Embedding-Technologie hergestelltes Leistungsmodul.

Kleine Chipgrößen bedingen thermische Probleme, bei denen die etablierten Packaging-Technologien auf herkömmlichen PCBs an ihre Grenzen stoßen.  Am Fraunhofer IISB in Erlangen wurde das neuartige Packaging-Konzept entwickelt, das auf der Einbettung von Leistungshalbleitern in keramische Schaltungsträger basiert. Mit ihm können die Vorteile der Halbleitern mit breitem Bandabstand (WBG) wie Siliziumkarbid (SiC) voll ausgeschöpft werden. Leistungsmodule, die auf diesem neuen Ansatz basieren, werden vom Fraunhofer IISB auf der diesjährigen Messe PCIM Europe im Mai 2019 in Nürnberg vorgestellt.

Mit der neuen Technologie - dem Ceramic Embedding - werden die Leistungsbauelemente durch geeignete Die-Bonding-Techniken wie Löten oder Silbersintern in ein speziell vorbereitetes direkt gebundenes Kupfer(DBC)-Substrat eingebracht. Anschließend werden alle Spalten mit einem Hochtemperatur-Vergussmaterial gefüllt. Das so entstandene Vorpaket bildet einen einfach zu bedienenden Baustein der Leistungselektronik.

Das Konzept ermöglicht eine hohe Kupferschichtdicke, was den Weg für eine hohe Strombelastbarkeit ebnet. Ein großer Vorteil ist die hohe elektrische und thermische Kontaktfläche. Die Ober- und Unterseite des Halbleiters sind ideal miteinander verbunden und bieten die volle Leistung der winzigen WBG-Bauelemente.

Verschiedene Arten von keramischen Materialien wie Aluminiumoxid, Aluminiumnitrid oder Siliziumnitrid sind einsetzbar. Die Wahl hängt von den individuellen Anforderungen an die Optimierung des Wärmemanagements, der mechanischen Eigenschaften und der Kosten ab.

Zur Erzeugung der Hohlräume und Gräben werden subtraktive Herstellungsverfahren eingesetzt. Die Durchkontaktierungen für die elektrischen Kontakte werden mit einem Laserverfahren gebohrt. Dann werden sie mit Silbersintermaterial oder ähnlichen leitenden Materialien gefüllt. Die Durchkontaktierungen ermöglichen die Realisierung von mehrschichtigen keramischen Substratstapeln, die insbesondere für Kommutierungszellen mit niedriger Induktivität von Vorteil sind.

PCIM Europe, Nürnberg, 7.-9. Mai 2019, Halle 6, Stand 438