INTERVIEW David Connett: Passive Embedding

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Mit eigens für das Embedding konzipierten Bauelementen und Integrationstechnologien lassen sich Systeme immer kompakter entwickeln und gleichzeitig ihre Zuverlässigkeit steigern. Dank neuer Materialien, Technologien und Miniaturisierung werden hier große Fortschritte erzielt.

David Connett, Director Reference Design, ist Elektrotechnik-Ingenieur und arbeitet bei TDK mit Halbleiterherstellern und Entwicklungsbüros eng zusammen. Er unterstützt sie bei der Auswahl geeigneter TDK und EPCOS Produkte für ihre Referenzdesigns, Evaluation Boards und Demo-Schaltungen.

1. Wenn es sich um das Embedding dreht, entscheiden bei passiven Bauelementen oft ihre Abmessungen und Robustheit gegenüber Weiterverarbeitungsprozessen darüber, ob sie sich eignen. Wie kommen Sie den Anforderungen der Entwickler entgegen?

David Connett: Auf vielfältige Weise. TDK bietet unter anderem spezielle Kondensatoren und Thermistoren sowie diverse Integrationsmethoden. Damit lassen sich technologisch überlegene Lösungen realisieren. Gerade auch für die Leistungselektronik: Nehmen sie etwa IGBT-Module auf Si- und SiC-Basis in der mittleren Leistungsklasse. Traditionell setzt man hier externe Snubber-Kondensatoren ein. Würden diese Kondensatoren eingebettet, könnten lange Leitungswege, die mit parasitären Induktivitäten behaftet sind, deutlich verkürzt werden. Ein Embedding dieser Bauelemente war allerdings bisher nicht möglich, da sie – ganz abgesehen von ihren Abmessungen – nicht die erforderliche Hitzebeständigkeit für die Fertigungsprozesse des IGBT-Chips aufweisen. Darüber hinaus bieten sie nur geringe Kapazitätswerte pro Volumen und einige Kondensatoren haben bei hohen Nennspannungen einen erheblichen Kapazitätsverlust.

 

2. Und wie konnten Sie alle diese Probleme lösen?

David Connett: Mit einem gänzlich neuen Kondensatortyp, der keinen dieser Nachteile mit sich bringt: dem EPCOS CeraLink™. Er basiert auf PLZT-Keramik, also auf Lead Lanthanum Zirconate Titanate. Im Gegensatz zu konventionellen Keramik-Kondensatoren liegt beim CeraLink das Kapazitätsmaximum bei der Einsatzspannung und steigt sogar mit zunehmendem Anteil der Ripple-Spannung. Seine hohe Isolationseigenschaft und sehr geringen parasitären Beiwerte sind weitere Vorteile. Und auch das gefürchtete, sich selbst verstärkende Thermal Runaway ist beim CeraLink kein Thema. All das prädestiniert ihn für das Embedding als Snubber-Kondensatoren in IGBT-Module. Darüber hinaus ist der neue Kondensator mit etwa 10 bis 15 Millimetern Kantenlängen besonders kompakt und lässt sich sehr nahe und niederinduktiv am Halbleiter platzieren.

 

3. Für den effizienten Betrieb müssen IGBT-Module in Invertern nahe an ihrem oberen Temperaturlimit betrieben werden. Ist es auch möglich, eine exakte Überwachung der Betriebstemperatur einzubauen, um eine Schädigung der Halbleiter auszuschließen?

David Connett: Das wird bereits seit längerem gemacht. Allerdings sind die bislang eingebetteten, Standard-Chip-NTC-Thermistoren nur bedingt geeignet, da eine Reihe von Schwierigkeiten und Anforderungen in der Prozessführung bestehen: So müssen Standard-Bauelemente in SMD-Ausführung bei niedrigeren Temperaturen verlötet werden was für die Verarbeitung der Halbleiterbauelemente zusätzliche Prozessschritte nötig macht. Um diese Probleme zu lösen, haben wir einen Wafer-basierten Herstellungsprozess für EPCOS Chip-NTC-Thermistoren entwickelt.

 

4. Was ist der entscheidende Vorteil der neuen Wafer-basierten Thermistoren?

David Connett: Die Anordnung der elektrischen Kontaktierungen. Sie ist bei unseren Wafer-basierten Thermistoren horizontal und nicht vertikal. Dadurch kann der untere Anschluss bei hohen Temperaturen verlötet oder Silber-gesintert werden, während auf der oberen Anschlussfläche ein gemeinsames Bonden mit dem Halbleiter möglich ist. Da sich die neuen Chip-NTC-Thermistoren auf eine Nenntemperatur von 100 °C beziehen und bei dieser Temperatur nur eine Toleranz von nur ±1,5 K aufweisen, können die IGBT-Module bis an die Leistungsgrenzen ohne frühzeitiges Derating betrieben werden. Eine Lösung, die sich auch für neue Halbleitergenerationen etwa auf Basis von SiC eignet.

www.global.tdk.com
www.epcos.com

David Connett, Director Reference Design, TDK

David Connett, Director Reference Design, TDK