Universität Tübingen
Thermisch effiziente Keramik-Komposite für die Verkapselung elektronischer Bauelemente
Abstract
Der Trend zur Reduzierung von Halbleiteroberflächen und die Miniaturisierung passiver elektronischer Bauelemente, wie Transformatoren und Spulen, ermöglicht gerade im Bereich der Leistungselektronik die Realisierung kompakter Baugruppen. Diese Tatsache ist vor allem einer höheren Schaltfrequenz und neuen Halbleitertechnologien, wie Siliciumcarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN), geschuldet. Dies führt allerdings auch zu einer steigenden Leistungsdichte im elektronischen Bauelement und höheren Anforderungen an das Thermomanagement. In der Anschluss- und Verbindungstechnik müssen daher neue Materialien entwickelt werden, die oberhalb 200 °C robust sind, eine optimierte Wärmeabfuhr gewährleisten und diversen klimatischen Bedingungen trotzen. Gerade die Verkapselung elektronischer Bauelemente kann diesen Anforderungen aktuell nicht gerecht werden. Es handelt sich dabei meist um Silikone und Epoxide, welche lediglich eine durchschnittliche Temperaturstabilität von 180 °C und eine Wärmeleitfähigkeit von weniger als 2 W/(m∙K), abhängig vom Polymersystem, besitzen. Daher wurden im Rahmen dieser Forschungsarbeit keramische Verkapselungen entwickelt, die eine Temperaturstabilität bis zu 300 °C und eine Wärmeleitfähigkeit oberhalb 5 W/(m∙K) aufweisen. Es handelt sich dabei um Keramik-Komposite, die aus einer hydraulisch abbindenden Matrix (Tonerdezement oder reaktive Tonerde) und Aluminiumoxid Füllstoffen bestehen. Neben den Wirkmechanismen und Abhängigkeiten ausgewählter Materialeigenschaften, werden prozesstechnische Aspekte sowie erste Zuverlässigkeitsuntersuchungen diskutiert. So stellte sich heraus, dass thermisch effiziente Keramik-Komposite mit einer Matrix aus reaktiver Tonerde, 300 °C Temperaturstabilität und einer Wärmeleitfähigkeit von > 6 W/(m∙K) bei höheren Temperaturen und Spannungen die Funktionalität des Halbleiters nicht negativ beeinflussen. Die Verarbeitung der Keramik-Komposite erfolgt mit einem herkömmlichen Gießverfahren, wie es auch bei Silikonen verwendet wird. Obwohl die Robustheit der geprüften Leistungsmodule unter Feuchte weiter optimiert werden muss, zeigen keramische Verkapselungen mit zusätzlich applizierter Feuchtebarriere erste Erfolge. Schließlich weisen keramisch verkapselte Rahmenmodule eine thermomechanische Robustheit auf, die einer bis zu 4-fach höheren Lebensdauer im Vergleich zur Silikongel-Verkapselung entspricht.
Author and committee
dc:creator, dc:contributor.*- Author
-
- Käßner, Stefan
Identifiers
dc:identifier.*- Identifier
- hdl:10900/92151