Elektromobilität//Leistungshalbleiter

Bonddrahtlose Leistungsgehäuse für Elektro- und Hybridfahrzeuge

06.05.13 | Autor / Redakteur: Benjamin Jackson * / Thomas Kuther

Ob Renault Twizy oder Tesla Roadster: Leistungshalbleiter sind in Hybrid- und Elektroautos wie hier bei der letztjährigen Bertha Benz Challenge unverzichtbar
Ob Renault Twizy oder Tesla Roadster: Leistungshalbleiter sind in Hybrid- und Elektroautos wie hier bei der letztjährigen Bertha Benz Challenge unverzichtbar (Bild: Ulrich Steinlechner)

Leistungsmodule in Hybrid- und EV-Systemen müssen höchsten Ansprüchen genügen. Der neue Baustein CooliR2DIE kann Chips bis 225 mm2 aufnehmen und eignet sich für Leistungen über 50 kW.

Welche Automobilausstellung man immer in den letzten Monaten auch besuchte, stets wurde sehr schnell klar, wohin der letzte Trend geht – in Richtung Elektrifizierung. Die Massenproduktion von Hybrid- und Elektrofahrzeugen stellt zwar eine fundamentale Veränderung in der Motorindustrie dar, ist aber konzeptionell nichts Neues.

Die Ursprünge des Elektrofahrzeugs lassen sich bis in die 1830-er Jahre zurückverfolgen. Um 1900 waren ungefähr 38% aller Automobile auf Amerikas Straßen mit einem elektrischen Antrieb ausgestattet, lediglich die Dampfmaschine übertraf diesen Wert, und darüber hinaus war der Lohner-Porsche Mixte Hybrid, der 1901 auf den Markt kam, das weltweit erste Hybridfahrzeug.

Anstieg der Treibstoffkosten spricht für (H)EVs

Vor diesem Hintergrund erscheint eine gewisse Skepsis gegenüber den jüngsten enthusiastischen Phasen bezüglich der Elektrofahrzeuge nicht unbegründet. Andererseits wird auf den Antriebsstrang eines Automobils durch den drastischen Anstieg der Treibstoffkosten in den vergangenen 20 Jahren sowie immer höhere Steuern auf Schadstoffemissionen von beiden Seiten Druck ausgeübt – einfach ausgedrückt: Die Effizienz muss sich verbessern, und die Elektrifizierung des Autos ist ein wirksames Mittel, dies zu erreichen.

Die Herausforderung für Ingenieure ist fast beängstigend – der Verbrennungsmotor hat sich seit mehr als 100 Jahren als kostengünstige, zuverlässige und hochleistungsfähige Lösung erwiesen – und seine Reserven sind noch nicht ausgeschöpft! Das heißt: Will die Leistungselektronik-Lösung erfolgreich sein, muss sie eine hervorragende Zuverlässigkeit, eine hohe Leistung und einen hohen Wirkungsgrad zu niedrigen Preisen erreichen.

Leistungselektronik in Hybrid- und E-Fahrzeugen

Bei den meisten Hybrid- und EV-Plattformen, die sich heute auf den Straßen befinden, zeichnen sich drei Hauptanwendungen für die Leistungselektronik ab: Batteriemanagement, DC-DC-Umwandlung sowie der Hauptantrieb. Bei letzterem handelt es sich um die Applikation, die sich bislang auf Leistungshalbleiter- und Modultechnologien verlassen hat, die dem industriellen Markt entstammten, in dem häufig vergleichbare Leistungspegel und Spannungen auftreten, und die entsprechend angepasst wurden.

Allerdings ist im Zuge des Strebens nach einer Senkung von Kosten, Größe und Gewicht, einer Verbesserung der Effizienz ohne dabei ein Bit an Zuverlässigkeit einzubüßen, eine neue Reihe von Silizium- und Leistungs-Packaging-Technologien erforderlich, die spezifisch für Automobile entwickelt werden müssen.

Motorantriebsmodule sind meist gebondet

Bild 1: Vergleich des herkömmlichen Drahtbondens mit dem neuen CooliR²DIE
Bild 1: Vergleich des herkömmlichen Drahtbondens mit dem neuen CooliR²DIE (Bild: International Rectifier)

Die traditionellen industriellen Motorantriebsmodule beruhen im Allgemeinen auf 600- oder 1200-V-IGBTs und -Dioden in einem drahtgebondeten Gehäuse. Auf der linken Seite von Bild 1 ist ein Beispiel einer Drahtverbindung zu sehen. Wie der Name vermuten lässt, beruht diese Methode auf der Verwendung von kleinen Drahtbonds mit einem Durchmesser von vielleicht 20 mm, die direkt auf der Oberseite des Siliziums und anschließend an einen Leadframe befestigt sind, der dann die endgültige Verbindung zum weiteren System herstellt.

Diese Technologie ist in hohem Maße etabliert und gilt als kostengünstig. Indessen sind mit dem Drahtbonden zahlreiche Einschränkungen verknüpft: Es werden mehrere Drähte benötigt, um höhere Ströme zu tragen, und deshalb sind kompliziertere und kostspielige Montageprozesse erforderlich.

Drahtbonden bringt noch weitere Nachteile mit sich

Tritt ein Problem in der Montagegruppe auf, ist eine Nacharbeitung des Moduls äußerst schwierig, was wiederum zu einem besonders teuren Ausbeuteausfall führt. Auch die Zuverlässigkeit zählt zu den Schwachpunkten der Drahtbonds – nach Tausenden aktiver Leistungszyklen stellt der Drahtbond und seine Schnittstelle mit dem Silizium viel zu häufig die Ursache eines Ausfalls dar. Schließlich beanspruchen die Drahtbonds Platz auf der Oberfläche der Halbleiterchips und an seinen Kanten; das reduziert die Leistungsdichte einer gegebenen Lösung und verhindert die Kühlmöglichkeit sowohl von der Ober- als auch von der Unterseite des Bausteins.

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