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.

The trend of reduced chip surfaces and miniaturized passive electronic components, such as transformers and coils, enables compact power electronic devices. This is only possible by applying a higher switching frequency and novel Silicon Carbide (SiC) and Gallium Nitride (GaN) semiconductor technologies. The consequence of an increased power density demands for an improved thermal management of the electronic components. For advanced interconnection technology, new materials have to be developed, which are able to operate above 200 °C with improved thermal performance and robustness under harsh environments. Especially, recent encapsulation materials for power electronic packaging are not able to fulfill these demands. Typical encapsulates like silicones or epoxy resins only withstand temperatures up to 180 °C with a thermal conductivity of lower than 2 W/(m∙K), depending on the polymer system. Therefore, ceramic encapsulation materials with a temperature robustness up to 300 °C and more than 5 W/(m∙K) thermal conductivity were developed. The ceramic composite materials consist of a hydratable matrix (calcium aluminate cement or hydratable alumina) and alumina filler. Next to mechanisms and dependencies of relevant material properties, the special processing and first reliability investigations will be discussed. The results reveal the potential of thermal efficient ceramic composites, with a hydratable alumina matrix, 300 °C temperature stability and > 6 W/(m∙K) thermal conductivity for a reliable semiconductor encapsulation at elevated temperatures and high voltages. A common casting process can realize the application of the ceramic composites. Although, improvements for enhanced performance under humid conditions are necessary, ceramic encapsulants with additional humidity barrier coating are promising. Finally, the thermomechanical robustness of encapsulated frame modules indicates a four times higher lifetime compared to a silicone gel encapsulation.

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