Im Rahmen einer gemeinsamen Forschungsarbeit mit der Tohoku-Universität hat Sumitomo Bakelite ein kompaktes 3D-SiC-MOSFET-Leistungsmodul mit hoher Leistungsdichte und einer kunstharzisolierten Zweischichtstruktur entwickelt.
Durch die Optimierung der Wärmeausdehnungseigenschaften und des Elastizitätsmoduls des kunstharzisolierten Substrats sowie der Epoxid-Vergussmasse konnte die Verformung des Moduls deutlich reduziert werden. Darüber hinaus hat der Einsatz eines halbgesinterten Ag-Verbindungsmaterials die Verbindungszuverlässigkeit mit dem Kühlkörper erheblich verbessert. Somit trägt das entwickelte Leistungsmodul dazu bei, eine Wechselrichter-Leistungsdichte von 300 kVA/L zu erreichen und gleichzeitig eine hohe Zuverlässigkeit zu gewährleisten.
Die Verbesserungen im Einzelnen:
Durch den Ersatz keramisch isolierter Substrate durch kunstharzisolierte Substrate wird die Diskrepanz bei den Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen Substrat und Kupfer deutlich verringert. Dadurch wird das Quellen des Leistungsmoduls auf 20 µm oder weniger begrenzt.
Der Einsatz von kunstharzisolierten Substraten unterdrückt die Verformungen des Moduls, die durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten der Substratmaterialien verursacht werden. Dadurch ist eine dünnere Schicht des Wärmeleitmaterials (TIM) zwischen dem Modul und dem Kühlkörper möglich, was den Wärmewiderstand deutlich reduziert, während gleichzeitig eine äußerst zuverlässige Verbindung zum Kühlkörper gewährleistet und die Montierbarkeit erheblich verbessert wird.
Im Gegensatz zu herkömmlichen Löt- und gesinterten Silber-Verbindungsverfahren, die hohe Temperaturen und hohen Druck erfordern, ermöglicht das neu entwickelte Ag-Halbsinter-TIM eine Verbindung bei niedriger Temperatur und ohne Druck. Dadurch wird die auf das Modul einwirkende thermische Belastung verringert. Darüber hinaus ermöglichen seine hohe Haftkraft und sein niedriger Elastizitätsmodul eine Verbindungsschichtdicke von weniger als 100 µm. Gleichzeitig wird die Zuverlässigkeit und Haltbarkeit der Verbindungsschicht zwischen dem Modul und dem Kühlkörper erheblich verbessert.(jr)
