Thermische Untersuchung von Schaltungsträgern für leistungselektronische Halbleitermodule mit organischem Isolator
Bicakci, Aylin
Aufgrund der stetig steigenden Leistungsdichte in der Leistungselektronik sind immer höhere Temperaturen der Halbleiter in Leistungsmodulen die Folge, welche zu einer Leistungsbeschränkung der heutigen Module führen. Konventionelle Module bestehen häufig aus einem Direct Copper Bonded-Substrat (DCB), welches auf eine Bodenplatte (Wärmespreizer) gelötet ist. Diese Module sind aus thermischer Sicht auf Grund der wenige 100 µm dünnen Kupferschichten und thermisch schlecht leitenden keramischen und zudem bruchempfindlichen Zwischenschicht der DCB nicht optimal ausgelegt. So kann keine optimale thermische Spreizung direkt unter dem Halbeiter erfolgen, denn die Kupferlage, auf der die Halbleiter kontaktiert sind, ist hierfür zu dünn. Als Folge der hohen Bruchempfindlichkeit können Keramikschichten zur elektrischen Isolation in der DCB, wie zum Beispiel Aluminiumoxid (Al2O3) nicht dünner, sowie die Kupferschichten auf denen die Halbleiter kontaktiert sind, nicht dicker dimensioniert werden. Wäre dies möglich, könnte zum einen der thermische Widerstand des Moduls durch eine dünnere Isolationsschicht reduziert werden und zum anderen die thermische Spreizung durch den Einsatz von dickeren Kupferschichten direkt unter dem Halbleiter erhöht werden. Dadurch könnte die thermische Spreizung nicht erst in der Bodenplatte wie beim derzeitigen Stand der Technik erfolgen, sondern bereits in der Kupferschicht unterhalb des Halbleiters. Dies würde zu einer Reduzierung der Halbleitertemperatur und damit zu einer gesteigerten Leistungsfähigkeit des Moduls führen.
Bei einem Modul mit DCB-Aufbau ist dies nicht möglich. Deshalb kommen in einigen neuartigen Modulen an Stelle der keramischen Schaltungsträger organische Isolationsfolien in Kombination mit metallischen Stanzteilen (Leadframes) zum Einsatz. Hierbei handelt es sich um eine Kupferlage, auf welche die benötigten Halbleiter kontaktiert werden. Die elektrische Isolation erfolgt mit Hilfe der organischen Isolationsfolie. Die Isolationsfolien haben nur einen Bruchteil der Wärmeleitfähigkeit von Keramiken einer DCB, können jedoch dünner ausgeführt werden. Zudem kann eine höhere thermische Spreizung durch höhere Kupferschichtdicken direkt unter dem Halbleiter erfolgen. Die Kontaktierung des Leadframes auf die Bodenplatte erfolgt mit Hilfe eines Laminierprozesses.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird der Schichtaufbau eines Leistungsmoduls analysiert und hinsichtlich dieser neuen Technologie und der geometrischen Auslegung der Schichten optimiert, um eine signifikante Reduzierung der Halbleitertemperatur zu erzielen. Hierbei werden die Haupteinflussfaktoren zur Reduzierung der Halbleitertemperatur identifiziert. Primär werden die Auswirkungen der Haupteinflussfaktoren (Schichtdicke und Spreizfläche) sowie ihre Wechselwirkungen untereinander analysiert. Hierfür wird mit Hilfe von thermischen Simulationsergebnissen ein Regressionsmodell entwickelt, welches sowohl durch Rechnersimulation als auch durch Messungen evaluiert wird. Zum Abschluss wird ein Moduldemonstrator abgeleitet und thermisch mit einem DCB-Referenzmodul sowohl simulatorisch als auch messtechnisch verglichen. Der hierfür benötigte Laminierprozess wird hinsichtlich der Prozessparameter Druck, Zeit und Temperatur untersucht. Der Einfluss der Prozessparameter auf die Verbindungsqualität hinsichtlich thermischen Widerstandes, elektrischer Durchschlagsspannung und Scherfestigkeit wird evaluiert.
Die ermittelten Ergebnisse zeigen, dass unter den gegebenen Randbedingungen durch den Einsatz einer organischen Isolationsfolie in Kombination mit geometrisch angepassten Kupferschichten eine Reduzierung der Halbleitertemperatur um bis zu 25K möglich ist. Diese Erkenntnis ist somit im Hinblick auf die steigende Leistungsdichte der heutigen Leistungselektronik von eklatanter Bedeutung und ermöglicht es, die oben genannte Leistungsbeschränkung heutiger Module zu reduzieren. Eine deutliche Steigerung der Leistungsdichte bei gleichbleibender Halbleitertemperatur ist damit möglich.
The ever-increasing power density in power electronics results in ever higher temperatures of the semiconductors in power modules. This fact leads to a performance limitation of today's modules. The standard modules, which are available in today’s market, are not designed optimally from a thermal point of view due to the shear-sensitive Direct Copper Bonded Substrates (DBC) used in today’s power modules. A sufficient thermal spread cannot be achieved. As a consequence of the high fracture sensitivity the ceramic layers for electrical isolation in the DBC, such as aluminum oxide (Al2O3), cannot be designed thinner and the copper layers on which the semiconductors are contacted cannot be designed thicker. If this were possible the thermal resistance of the overall structure could be reduced by the thinner insulation layer and the thermal spread could be increased by using thicker copper layers directly underneath the semiconductor. Then, the thermal spread would directly take place in the copper layer below the semiconductor instead of the base plate like in the current state of the art. This leads to a reduction of the semiconductor’s temperature and thus to an increased performance of the module.
This is not possible with a DBC structure in the module. Therefore, in some novel modules organic insulation films in combination with metallic layers such as lead frames are used instead of the DBC. A lead frame is a copper layer on which the required semiconductors are electrically contacted. The electrical insulation is then achieved with the help of the organic insulation foil. The insulation foils have only a fraction of the thermal conductivity of a DBC’s ceramic layer, but can be designed thinner. In addition, a higher thermal spread can be achieved by a larger copper layer thickness directly under the semiconductor. The structure of the lead frame is contacted to the base plate via a lamination process.
In the present work the layer structure of a power module is analyzed and optimized with regard to this new technology and the geometrical design of the layers in order to achieve a significant reduction of the semiconductor temperature. Therefor, the main influential factors for the reduction of the semiconductor’s temperature could be identified. Primarily, the effects of the main influential factors (layer thickness and spreading surface) and their interactions with each other are examined. For this purpose, a regression model is developed with the help of thermal simulation results, which is evaluated both by computer simulation and by measurements. Finally, a module demonstrator is derived and thermally compared with a DBC reference module both simulatively and metrologically. The required lamination process is examined with regard to the process parameters pressure, time and temperature. The influence of the process parameters on the connection quality in terms of thermal resistance, dielectric strength and shear strength is highlighted.
The detected results show that under the given boundary conditions a reduction of the semiconductor’s temperature by 25K is possible by the use of an organic insulation foil in combination with geometrically adapted copper layers. This finding is therefore of a blatant importance considering the increasing power density of today's power electronics and makes it possible to reduce the above mentioned power limitation of today’s modules. A significant increase in power density at a constant semiconductor temperature is possible.
