Langlebige und platzsparende Temperatursensorlösung für Power Electronic Chips

Immer kleiner, immer leistungsfähiger, immer neue Einsatzgebiete: in der Leistungselektronik werden die Anforderungen an eingesetzte Materialien ständig größer. Bei der Optimierung des Wärmemanagement neuer Power Electronic Chips spielen winzige Platintemperatursensoren von Heraeus eine wichtige Rolle.

Leistungselektronik ist für Elektrofahrzeuge oder Windenergie essentiell. Um die rasant wachsenden Kundenanforderungen – wie längere Lebensdauer, hohe Zuverlässigkeit, optimales Wärmemanagement und hohe Leistungsfähigkeit – erfüllen zu können, ist die Optimierung der einzelnen Materialien oder Komponenten genauso wichtig wie der Blick auf das Gesamtsystem. Der Markt für elektronische Leistungsmodule wächst jährlich um rund 10 Prozent. Ein Drittel der elektrischen Energie kann schon heute durch den konsequenten Einsatz von Leistungselektronik in industriellen Anlagen eingespart werden.

Bonddraht und Sensor für Leistungselektronik

Die Module haben bei einer Vielzahl technisch anspruchsvoller Anwendungen die Aufgabe, den Strom zu steuern. Das heißt, sie passen die abgegebene Leistung optimal an die Erfordernisse an. Hierfür sind Halbleiterchips innerhalb der elektronischen Baugruppe verantwortlich. Sie werden mittels verschiedenen Materialien und Komponenten der Aufbau- und Verbindungstechnik in Leistungsmodulen eingebaut. Mit der Fortentwicklung dieser Technologien steigen auch die Anforderungen: Einerseits müssen immer kleinere Chips immer größere Ströme bewältigen können, andererseits entstehen stetig neue Anwendungsgebiete in komplexeren Gesamtsystemen, von denen eine hohe Zuverlässigkeit erwartet wird. Automobilhersteller beispielsweise fordern von der Zulieferindustrie eine Laufzeit von mindestens 15 Jahren oder 250.000 km für ihre Produkte.

Sintertechnologie: Intelligentes Moduldesign durch optimierte Temperatursensoren

Intelligentes Moduldesign und die Einführung der Sintertechnologie spielen für die Performance (Packungsdichte) der Power Electronic Chips eine entscheidende Rolle. Die Sintertechnologie wird zunehmend zur ersten Wahl in der Aufbau- und Verbindungstechnik bei Leistungselektronik-Modulen. Verglichen mit herkömmlichen Lötverbindungen, haben gesinterte Verbindungen klare Vorteile in der Wärmeableitung, was eine optimierte Kühlung bedeutet, wie auch in der elektrischen Leitfähigkeit (besonders, wenn die Chips auch gesintert werden). Bei diesen Anwendungen (z. B. IGBT-Module) können nun höhere elektrische Belastungen und damit Temperaturen gewählt werden, was einen sehr effektiven Betrieb erlaubt. Um die Systeme im optimalen Temperaturfenster betreiben zu können, ist eine präzise, flexible, widerstandsfähige und vor allem langlebige Sensorlösung wichtig.

Mit einem neu entwickelten Platintemperatursensor von Heraeus ist nur noch eine minimale Substratoberfläche notwendig und ermöglicht einen optimalen Platzbedarf. Die Fixierung des nur 3,1 x 1,5 mm großen Sensors ist potenzialfrei und lässt daher eine Positionierung sehr nahe am Chip zu, also der eigentlichen Temperaturquelle, ohne spezielle Leiterbahnen auf dem Substrat zu nutzen. Wenn generell gesintert wird, sind zusätzliche Applizier- oder Positionierungsschritte nicht erforderlich und können während des Die-Attach-Prozess durchgeführt werden (Anlieferform auf Wafer Frame). Der nach dem Löten typische Reinigungsprozess (Entfernung von Flussmittelresten) ist hinfällig.

Durch das intelligente Chipdesign mit den elektrisch getrennten Funktionsflächen für Signalabgriff und Wärmeübertragung, ist eine spezielle Strukturierung des Substrates für den Temperaturchip nicht erforderlich. Dadurch ergeben sich neue Freiheitsgrade während der Designphase im Modulaufbau.

Eine nach Design Freeze veränderte Temperatur-Chipposition stellt somit auch keine Hürde mehr dar, weil die Positionierung auf der Metallisierung frei wählbar ist. Die optimale Position direkt an der Wärmequelle (Die) ist jetzt nur noch über den Platzbedarf limitiert, welcher mit einer Abmessung von L 3,1 X B 1,5 X H 0,51mm sehr kompakt ausfällt.

Durch den sehr robusten und millionenfach bewährten Platin-Dünnschicht-Aufbau ist eine Langzeitstabilität bei höchster Präzision gegeben. Die standardisierte Charakteristik erleichtert die Auslegung und ist über den gesamten Funktionsbereich definiert und sehr stabil. In Abhängigkeit von der gewählten Aufbau- und Verbindungstechnik (eingesetzte Sintermaterialien und Bonddrähte) sind Temperaturen bis 300 °C chipseitig möglich.

Vorteile des Sinterchips

Der Sinterchip wird während des Positioniervorganges der Leistungs-Dies auf das Substrat mit aufgesetzt und im Anschluss mit den übrigen Bauteilen in einem Schritt gesintert. Der Silbersintervorgang kann mit Druck, sowie drucklos ausgeführt werden und ist abhängig vom kundenseitigen Anlagenpark und den Anforderungen zu wählen. Besonders hilfreich hierfür ist die Anlieferform auf einem Wafer Frame, welche das Abarbeiten mittels Standard „Pick and Place“ Ausrüstung erlaubt und keine Zusatzgeräte erforderlich macht. Zudem werden die Temperaturchips auf dem Wafer Frame bestmöglich vor Beschädigungen, Verschmutzung und Oxidation geschützt, was eine optimierte Ausbringung ermöglicht.

Bei kompletter Nutzung der Sintertechnologie entfällt der Einsatz bisheriger Lötverbindungen und aufwändige Reinigungsprozesse zur Entfernung von Flussmitteln werden obsolet. Damit reduzieren sich der Fertigungsaufwand und gleichzeitig das Risiko fehlerhafter Reinigung beträchtlich.

Autor: Martin Bleifuß, Heraeus Sensor Technology

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