Zuverlässige Halbleiter-Packaging-Technologie
Gegenwärtig werden die meisten Halbleitern aus Silizium gefertigt. Silizium kann allerdings oberhalb von ungefähr 200 °C nicht richtig funktionieren, und es gibt einige wichtige Anwendungen die über diesem Bereich liegen. Mit ihren erhöhten Betriebstemperaturen haben die Halbleiter auf Basis von SiC bereits im Elektrofahrzeugbereich sowie in der Energie- und Luft- und Raumfahrtindustrie an Boden gewonnen. Ziel des EU-finanzierten Projekts MATPLAN (Construction of bespoke evaluation power modules) war es, die Probleme mit der Zuverlässigkeit von SiC-Halbleitern und der umgebenden Verkapselung zu überwinden. Zu diesem Zweck fertigten und erprobten die Projektpartner ein gesintertes SiC-Leistungsmodul mit geringer Streuinduktivität, um zu erkunden, ob es den Anforderungen bei hohen Temperaturen genügt. Das 10 kW-SiC-Leistungsmodul bestand aus vier SiC-Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren und vier Schottky-Sperrschichtdioden. Die Projektpartner setzten ein neues Packaging-Konzept um, das Silbersintern, ein Siliziumnitridsubstrat, keine Drahtbonddrähte, keine Grundplatte und eine flexible Leiterplattenfolie mit integrierten Anschlüssen beinhaltet. Mit Einsatz des neu entwickelten Chipsatzes auf SiC-Basis und der neue Packaging-Technologie konnte das SiC-Leistungsmodul mit Erfolg bei 200 °C betrieben werden. Die Projektpartner fertigten außerdem konforme Säulen zum Verbinden von Leistungshalbleitern (Aufnahmen) mit einem Hochspannungs-Leistungsschalter. Dieser Schalter wurde entwickelt, um Schaltungen vor Überlastungen oder Kurzschlüssen zu schützen. Die MATPLAN-Packaginglösungen beseitigen die Notwendigkeit für die Nutzung von unzuverlässigen Aluminiumdrahtverbindungen, wobei diese durch nahtlose Kontaktierungstechniken auf jeder Seite des aktiven Halbleiters ersetzt werden. Somit schaffen sie einen zuverlässigen niederinduktiven Kontakt mit niedrigem thermischen Widerstand. Die vom Projekt entwickelten Packaginglösungen sind einfach zu fertigen und verursachen im Vergleich zu heute üblichen doppelseitig gekühlten Strukturen geringe Kosten. Da Hochtemperatur-Halbleiterbauelemente nun einfacher eingesetzt werden können, sollten sie nun breite Anwendung in der Luft- und Raumfahrt finden.
Schlüsselbegriffe
Halbleiter, Packaging, Kapselung, Verpackung, Strommodule, hohe Temperaturen, Siliziumkarbid, Luft- und Raumfahrt
