Fuji Electric Europe GmbH

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IGBT-Neuheiten (Promotion) Der siebte Streich ist gelungen

08.05.2015

Der Leistungselektronikhersteller Fuji Electric entwickelt derzeit die IGBT-Module der X-Serie. Erste Prototypen dieser bereits siebten Modulgeneration gibt es schon – mit noch höherer Zuverlässigkeit und längerer Lebensdauer als ihre Vorgänger. In Serie gehen sollen die neuen Module in einigen Monaten.

Energieeinsparungen und die Reduktion von CO2-Emissionen sind derzeit die Mittel der Wahl im Kampf gegen die Erderwärmung. Dies hat zur Folge, dass Leistungshalbleitern eine immer wichtigere Rolle zukommt und dass die Anforderungen an sie rapide steigen. Die hohe Stromdichte, bei immer kleiner werdenden Bauteilen, führt zu einem Temperaturanstieg und verringert somit eine zuverlässige Funktionsfähigkeit. Daher ist es notwendig, sowohl die Eigenschaften der Chips als auch die Eigenschaften des Gehäuses zu verbessern.

Eine bessere Wärmeabfuhr und eine gesteigerte Zuverlässigkeit lassen sich durch den Einsatz neuester Technologien erreichen. Damit ist es möglich, dass die IGBT-Module der X-Serie nicht nur den Vorteil eines sehr kompakten Aufbaus bei gleichzeitig hoher Leistungsdichte aufweisen, sondern sie lassen sich zudem bei einer Temperatur von bis zu 175 °C betreiben. Ergebnis: Im Vergleich zur Vorgängergeneration, die eine Betriebstemperatur von maximal 150 °C erlaubt, lässt sich bei den neuen Bauteilen der Ausgangsstrom erhöhen.

Neue Chiptechnik

Intensive Tests der siebten Generation der IGBTs, Dioden und IGBT-Module haben eine Effizienzsteigerung bei gleichzeitiger Reduzierung der Chipgröße ergeben. Diese verbesserte Modultechnik führt wiederum zu einer neuen Generation von kleineren und effizienten Wechselrichtern.
Die Oberfläche der IGBT-Chips der siebten Generation besitzt die gleiche Trench-Gate-Struktur wie IGBT-Chips der sechsten Generation. Auf der Rückseite des Chips wurde ein Field-Stop-Layer (FS-Layer) auf einen dünnen FZ-IGBT Wafer aufgebracht. Die Dicke des Drift-Layers der siebten Generation wurde durch einen dünneren Wafer verringert.

Im Gegensatz zur sechsten Generation ist der Durchlassspannungsabfall der IGBTs der siebten Generation bei gleicher Stromdichte, Verwendung eines dünneren Drift-Layers und optimierter Oberflächenstruktur um 0,5 V niedriger (Tj = 150 °C). Selbst im Vergleich eines IGBTs der siebten Generation (Tj = 175 °C) und eines IGBTs der sechsten Generation (Tj = 150 °C) ist der Durchlassspannungsabfall um 0,4 V niedriger. Die Ausschaltverluste ließen sich bei den IGBTs der siebten Generation um 10 Prozent reduzieren. Dies wurde möglich durch die Verwendung eines dünneren Drift-Layers, durch den höheren IE-Effekt und einer Reduktion der Miller-Kapazität. Die Trade-Off-Kennlinie zwischen Durchlassspannungsabfall und Ausschaltverlusten ist in Abbildung 1 dargestellt. Bei der gleichen Stromdichte und den gleichen Abschaltverlusten wie bei IGBTs der sechsten Generation ist der Durchlassspannungsabfall der siebten Generation um 0,55 V reduziert.

Verglichen mit der Diode der sechsten Generation verringerte sich die Durchlassspannung bei gleicher Stromdichte (Tj = 150 °C) um 0,15 V. Abbildung 2 zeigt die Ausschaltverhalten der Diode der siebten Generation. Im Gegensatz zur Diode der sechsten Generation verläuft der Reverse-Recovery-Strom der siebten Generation, aufgrund einer optimierten lokalen Lebensdauerkontrolle, wesentlich flacher. Dieses softe Recovery-Verhalten trägt dazu bei, die Rückstromspitze um 21 Prozent zu reduzieren und letztendlich die Sperrverzögerungsverluste (Err) um 15 Prozent zu verringern.

Optimierte Gehäuse

Um die Miniaturisierung das IGBT-Modul zu verkleinern, war es nötig, die Abmessungen von IGBT und Diodenchip zu verringern. Resultat: Eine erhöhte Leistungsdichte innerhalb der Module, was die Sperrschichttemperatur ansteigen ließ und letztlich die Zuverlässigkeit beeinträchtigte. Für die Gehäusetechnik der siebten Generation wurden die Wärmeabfuhr, die Zuverlässigkeit und die Hitzebeständigkeit der Gehäuse verbessert und weiterentwickelt. Dieses Gehäuse verhindert nicht nur das Ansteigen der Sperrschichttemperatur, es ermöglicht zudem Betriebstemperaturen von bis zu 175 °C bei gleichzeitig erhöhter Zuverlässigkeit.

Damit die Wärmeabfuhr des Chips besser funktioniert, hat man bei den IGBT-Modulen der X-Serie ein Isolationssubstrat mit stark verbesserter Wärmeleitfähigkeit verwendet. Dieses Substrat hat den höchsten Einfluss auf die Gesamtentwärmung des Moduls. Die Standardmaterialien, die vorwiegend als Isolationssubstrat verwendet werden, sind das preiswerte Al2O3-Substrat und das hoch wärmeleitfähige AlN. Sobald sehr hohe Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit gestellt werden, wird das hochwertige AlN eingesetzt.

Des Weiteren wurde die Dicke des AlN-Substrats reduziert, um die Wärmeleitfähigkeit und die Langzeitzuverlässigkeit zu verbessern. Indem man die Bruch-Biegefestigkeit des verwendeten AlN-Substrats optimierte, konnte man im Vergleich zu herkömmlichen AlN-Substraten ein wesentlich dünneres Substrat realisieren. Dieses dünnere Substrat weist gegenüber herkömmlichen AlN-Substraten wegen des geringeren thermischen Stresses und der höheren Wärmeleitfähigkeit eine bessere Lastwechselfestigkeit auf. Alles in allem reduziert sich durch die Anwendung dieses neuen AlN-Substrats der thermische Widerstand der IGBT-Module stark, die Wärmeableitung sowie die Zuverlässigkeit werden erhöht. Abbildung 3 zeigt den Verlauf des thermischen Widerstandes des neuen AlN-Substrats von der Sperrschicht bis zu der Bodenplatte. Im Vergleich zum üblicherweise verwendeten Al2O3-Substrat ist der Wärmewiderstand des neuen AlN-Substrats um 45 Prozent geringer. Der Einsatz der neuen AlN-Substrate in den IGBT-Modulen der siebten Generation hat das Problem eines Temperaturanstiegs, resultierend aus der reduzierten Chipfläche, gelöst.

Für hohe Langzeitzuverlässigkeit

Um eine hohe Lebensdauer der Wechselrichter zu erreichen, ist eine hohe Langzeitzuverlässigkeit der IGBT-Module notwendig. Insbesondere die Lastwechselfestigkeit bei thermischen Zyklen der Sperrschichttemperatur ist sehr wichtig. Die IGBT Module der X-Serie erweitern den Betriebstemperaturbereich bis auf 175 °C, wodurch, im Vergleich zu früheren Generationen, mit höheren Ausgangsströmen gearbeitet werden kann. Im Allgemeinen verringert die höhere Sperrschichttemperatur die Delta-Tj-Lastwechselfestigkeit durch die beschleunigte Alterung der Verbindungsstellen rund um den Chip. Im Delta-Tj-Lastwechselbetrieb werden die Bonddrahtkontakte am Chip und das Lot unter dem Chip die größte thermische Belastung erfahren, daher beginnt hier die schnellste Beeinträchtigung. In den IGBT-Modulen der X-Serie hat man Bonddrahtdurchmesser und -länge optimiert und ein neu entwickeltes Lötmaterial aufgebracht, wodurch die Delta-Tj-Lastwechselfestigkeit maßgeblich verbessert wurde. Durch den Einsatz dieser neuen Technologien weisen die IGBT-Module der X-Serie eine doppelt so hohe Leistungsfähigkeit wie konventionelle Technologien bei Tjmax = 175 °C auf. Auch wenn die Module bei Tj = 175 ° C arbeiten, so ermöglicht es ihnen die verbesserte Lastwechselfestigkeit, eine gleiche oder sogar verbesserte Langzeitzuverlässigkeit zu erzielen.

Die nächste Herausforderung auf dem Weg hin zu einer hohen Langzeitzuverlässigkeit der neuen IGBT-Module bestand darin, das Silikongels bei höheren Betriebstemperaturen zu verbessern. Grundsätzlich führen hohe Temperaturen zu einem Aushärten des Silikons wodurch sich Risse bilden. Diese Risse haben erhebliche Auswirkungen auf die isolierenden Fähigkeiten des Silikongels. Daher hat man ein neues, hochwärmebeständiges Silikongel entwickelt, so dass ein sicherer Dauerbetrieb bei einer Temperatur von 175 °C gewährleistet werden kann. Gleichzeitig wurden bei dem neuen Silikongel die Aushärtungseigenschaften bei niedrigen Temperaturen verbessert – und so lässt sich auch eine Langzeitisolation bei niedriger Temperatur erreichen.

Erhöhte Stromdichte

Durch verringerte Verlustleistung und eine bessere Wärmeabfuhr erreichen die IGBTs und Dioden der siebten Generation eine wesentlich höhere Leistungsdichte. Zum Beispiel können Module mit einer Sperrspannung von 1.200 V in einem EP2-Gehäuse einen maximalen Nennstrom von 50 A erreichen, wenn man die Technik der sechsten Generation verwendet. Setzt man die siebte Chipgeneration und die verbesserte Gehäusetechnik ein, kann man einen maximalen Nennstrom von 75 A erreichen. Im Vergleich zur sechsten Generation ermöglicht es das EP2 der X-Serie, die Verluste des Inverter um 10 Prozent und die IGBT-Sperrschichttemperatur um 11 °C (fc = 8 kHz) zu reduzieren. Als Ergebnis wurde der Nennstrom der 1.200-V-EP2-Reihe aus herkömmlichen 50 auf 75 A erweitert, wobei die Modulfläche gegenüber dem EP3-Modul um 36 Prozent reduziert werden konnte. Durch die verbesserte Chip-Generation, die dTj-Lastwechselfestigkeit und das hoch wärmebeständige Silikongel realisieren die IGBT-Module der X-Serie zudem einen Dauerbetrieb von Tj = 175 °C. Somit stehen verglichen mit dem herkömmlichen Modul 50 Prozent mehr Ausgangsstrom zur Verfügung.

Bildergalerie

  • Abbildung 1: Trade-Off Kennlinie; Tj = 150 °C, VCC = 600 V,
    VGE = +15 V/-15 V, gleiche Stromdichte

    Bild: Fuji Electric Europe

  • Abbildung 2: Abschaltverhalten einer Diode der 6. und 7. Generation. Schaltbedingungen: Tj = 150 °C, VCC = 600 V, IC = 100 A (1x Inom),
    VGE = +15 V/-15 V

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  • Abbildung 3: Verlauf des thermischen Widerstandes des neuen AlN-Substrats von der Sperrschicht bis zu der Bodenplatte

    Bild: Fuji Electric Europe

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