Wege zur Ausschöpfung des vollen Potenzials von Silizium Leistungshalbleiter- Bauelementen. Insert image here. Insert image here.
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1 Insert image here Wege zur Ausschöpfung des vollen Potenzials von Silizium Leistungshalbleiter- Bauelementen Zürich, Juli 27 Insert image here Insert image here ABB Switzerland Ltd - 1-7/1/27 Dr. Stefan Linder, VP R&D ABB Schweiz Ltd, Semiconductors
2 Extrapolation ist ein schwieriges Geschäft "I think there is a world market for maybe five computers. Thomas Watson, IBM, 1943 ABB Switzerland Ltd K ought to be enough for anybody. Bill Gates, 1981 Silizium-Leistungshalbleiter stossen an ihre Leistungsgrenzen. -? We don't like their sound, and guitar music is on the way out. Ablehnung der Beatles durch Decca Recording Co., 1962
3 Programm Ein einfaches Weltbild Leistungsreserven und Wege zur Ausschöpfung Maximale Stromtragfähigkeit (SOA) Zusammenfassung ABB Switzerland Ltd - 3 -
4 Das Weltbild: Grundlegende Fakten Leistungshalbleiter erzeugen Verluste (in Form von Wärme) Leitverluste Schaltverluste beim Ein- und Ausschalten Sperrstrom-Verluste Limitierungen im System Maximale Fähigkeit zur Abführung von Verlustwärme Maximale Stromtragfähigkeit der Komponenten (Safe Operating Area = SOA) ABB Switzerland Ltd Leistungselektronische Sytseme sind meist thermisch begrenzt
5 Aufbau eines Hochleistungs-Schalters Innenleben IGBT-Modul IGBT chips ABB Switzerland Ltd Kühkörper
6 Thermischer Widerstand im System Wärmequelle (Chip) Kupfer Lötung Isolator-Keramik Wärmespreizer (Modul-Bodenplatte) Wärmeleitpaste Kühlkörper ABB Switzerland Ltd Wärmesenke (Umgebung) Flüssigkeitskühlung Luftkühlung Wärmesenke (Umgebung)
7 Thermischer Widerstand im System Chip (Wärmequelle) Material therm. Leitfähigkeit [W/mK] Dicke [mm] therm. Widerstand [K/kW] Keramik (AlN) Chip-Lötung Kupfer AlN Wärmespreizer (AlSiC) Kupfer Lötstelle AlSiC Σ = R th(sperrschicht Bodenplatten-Unterkante) 18 Kühlkörper Wärmeleitpaste ABB Switzerland Ltd Kühlkörper-Umgebung 25-9 Σ = R th(sperrschicht Umgebung) 6-12 Annahmen: Chipgrösse = 1 cm 2, Wärme-Spreizwinkel (alle Schichten bis Kühlkörper) = 45
8 Max. abführbare Verlustleistung ABB Switzerland Ltd abführbare Verlustleistung [W/cm 2 ] T Umgebung = 4 C T j (Sperrschicht) = 125 C Thermischer Widerstand R thj-a [K/kWcm 2 ]
9 Wärmefluss ein Vergleich 1 Oberfläche der Sonne 1 Wärmefluss [W/cm 2 ] Leistungshalbleiter Oberfläche einer 1W-Glühbirne Küchenherdplatte.1 Menschlicher Körper ABB Switzerland Ltd Oberflächen-Temperatur [K]
10 1W/cm 2 was bedeutet das? ABB Switzerland Ltd Kaffee ist in 5 Sekunden fertig
11 Verbesserungs-Strategien ABB Switzerland Ltd abführbare Verlustleistung [W/cm 2 ] Reduktion des thermischen Widerstandes T Umgebung = 4 C 3. Erhöhung von T j,max 1. Reduktion der Verluste Thermischer Widerstand R thj-a [K/kWcm 2 ] T j,max 2 C 175 C 15 C 125 C
12 Verbesserungs-Strategien ABB Switzerland Ltd abführbare Verlustleistung [W/cm 2 ] Reduktion des thermischen Widerstandes T Umgebung = 4 C 3. Erhöhung von T j,max 1. Reduktion der Verluste Thermischer Widerstand R thj-a [K/kWcm 2 ] T j,max 2 C 175 C 15 C 125 C
13 Senkung der Halbleiter-Verluste Haupt-Parameter zur Verlustreduktion Senkung der Bauelement-Dicke Erhöhung der Trägerdichte (Leitfähigkeit) im Bauelement Stand 27 Es gibt nur noch begrenzten Raum zur Verlustsenkung IGBT: 2-3% (12V) 5-1% (> 33V) ABB Switzerland Ltd HV-MOSFETs: ähnlich wie 12V IGBT (?)
14 Grenzen der Dickenreduzierung bei Silizium V 17 V 25 V Element-Dicke [μm] moderne Bauteile technische Grenze physikalische Grenze 2 ABB Switzerland Ltd V 45 V 65 V Spezifizierte Durchbruch-Spannung [kv]
15 Erhöhung der Trägerdichte IGBT: Ausnutzung des Injection Enhancement-Effektes HV-MOSFET: Einführung des Superjunction Konzepts ABB Switzerland Ltd Injection-enhanced IGBT (enhanced-planar Zelle, trench Zelle) Superjunction MOSFET
16 Verbesserungs-Strategien ABB Switzerland Ltd abführbare Verlustleistung [W/cm 2 ] Reduktion des thermischen Widerstandes T Umgebung = 4 C 3. Erhöhung von T j,max 1. Reduktion der Verluste Thermischer Widerstand R thj-a [K/kWcm 2 ] T j,max 2 C 175 C 15 C 125 C
17 Optimierung des thermischen Widerstandes Chip (Wärmequelle) Material therm. Widerstand [K/kW] Keramik (AlN) Komponentenhersteller Wärmespreizer (AlSiC, 16 W/mK) Chip-Lötung Kupfer 9 5 AlN 31 Kupfer 4 Lötstelle 17 AlSiC 114 Σ = R th(j-gehäuse) 18 Kühlkörper Wärmeleitpaste 137 ABB Switzerland Ltd Anwender KK-Umgebung 25-9 R th(j Umgebung) 6-12 Annahmen: Chipgrösse = 1 cm 2, Wärme-Spreizwinkel (alle Schichten bis Kühlkörper) = 45
18 Optimierung des thermischen Widerstandes Chip (Wärmequelle) Material therm. Widerstand [K/kW] Keramik (AlN) Chip-Lötung 9 Kupfer 5 AlN 31 Wärmespreizer (AlSiC, 16 W/mK) Option 1 Kupfer 4 Lötstelle 17 AlSiC 114 Σ = R th(j-gehäuse) 18 Wärmeleitpaste 137 ABB Switzerland Ltd Annahmen: Chipgrösse = 1 cm 2, Wärme-Spreizwinkel (alle Schichten bis Kühlkörper) = 45
19 Optimierung des thermischen Widerstandes Chip (Wärmequelle) Keramik Kühlkörper Material therm. Widerstand [K/kW] Chip-Lötung 9 Kupfer 5 Al 2 O 3 AlN 31 Kupfer 4 Lötstelle 17 AlSiC 114 Σ = R th(j-gehäuse) 18 Wärmeleitpaste ABB Switzerland Ltd Wärmespreizeffekt + Wärmekapazität der Bodenplatte gehen verloren Methode nur für kleine bis mittelgrosse Module geeignet Annahmen: Chipgrösse = 1 cm 2, Wärme-Spreizwinkel (alle Schichten bis Kühlkörper) = 45
20 Optimierung des thermischen Widerstandes Chip (Wärmequelle) Keramik (AlN) Wärmespreizer (AlSiC, 16 W/mK) AlSiC ersetzen gegen besseres Material Material Chip-Lötung 9 Kupfer therm. Widerstand [K/kW] 5 AlN 31 Kupfer 4 Lötstelle 17 AlSiC 114 Σ = R th(j-gehäuse) 18 Wärmeleitpaste 137 Ag-Diamant MMC Cu-Diamant MMC Al-Diamant MMC ABB Switzerland Ltd Diamant MMC sind teuer und noch nicht kommerziell verfügbar Einsatz lohnt sich nur bei gleichzeitiger Verbesserung der Wärmewiderstände zum Kühlköper und zur Umgebung Annahmen: Chipgrösse = 1 cm 2, Wärme-Spreizwinkel (alle Schichten bis Kühlkörper) = 45
21 Verbesserungs-Strategien ABB Switzerland Ltd abführbare Verlustleistung [W/cm 2 ] Reduktion des thermischen Widerstandes T Umgebung = 4 C 3. Erhöhung von T j,max 1. Reduktion der Verluste Thermischer Widerstand R thj-a [K/kWcm 2 ] T j,max 2 C 175 C 15 C 125 C
22 Sperrschicht-Temperatur 2 Fragen: Gibt es ein theoretisches Temperatur-Limit? Funktionieren Bauelemente einwandfrei bis zum theoretischen Temperatur-Limit? ABB Switzerland Ltd
23 Sperrschicht-Temperatur 2 Fragen: Gibt es ein theoretisches Temperatur-Limit? Ja, definitv: Schmelztemperatur von Silizium Praktisches Limit: Verluste durch Sperrströme Funktionieren Bauelemente einwandfrei bis zum theoretischen Temperatur-Limit? praktischen ABB Switzerland Ltd
24 Die Ursache von Sperrströmen elektrisches Feld p + (1) Gitterstoss (z.b. durch Phononen) (2) Generation Elektronen/Loch Paar (3) Trennung Elektronen/Loch Paar durch elektrisches Feld (4) Sperrstrom (I leakage ) fliesst ABB Switzerland Ltd n -
25 Wichtige Fakten zu den Sperrströmen I leakage Volumen der Zone im elektrischen Feld Volumen der Zone im elektrischen Feld V nominal I leakage V nominal +1 C Verdoppelung von I leakage Verlustleistung durch Sperrstrom = I leakage x V DC ABB Switzerland Ltd
26 Obere Grenztemperatur 3 25 Sperrstrom-Verlustkurve eines 12V IGBT bei V CE = 8 V Leistung [W/cm 2 ] Kühlvermögen bei R th = 85 K/kWcm 2 und T Umgebung = 4 C T krit ABB Switzerland Ltd Sperrschicht-Temperatur T j [ C]
27 Obere Grenztemperatur kritische Temperatur [ C] bei R th = 6 K/kWcm 2 T Umgebung = 4 C bei R th = 12 K/kWcm 2 ABB Switzerland Ltd Nominale Bauteilspannung [V]
28 Sperrschicht-Temperatur 2 Fragen: Gibt es ein theoretisches Temperatur-Limit? Ja, definitv: Schmelztemperatur von Silizium Praktisches Limit: Verluste durch Sperrströme ABB Switzerland Ltd Funktionieren Bauelemente einwandfrei bis zum theoretischen Temperatur-Limit? praktischen Beispiel: 12V IGBT
29 Durchlass-Charakertistik 3 5 C 1 C 15 C 2 C Stromdichte [A/cm 2 ] 2 1 ABB Switzerland Ltd ABB 12V SPT IGBT Durchlass-Spannungsabfall V ce(on) [V]
30 Ausschalt-Verluste (E off ) Ausschalt-Verluste [mj/a] ABB 12V SPT V DC = 75V 2 C 15 C 1 C 5 C ABB Switzerland Ltd Stromdichte [A/cm 2 ]
31 Einschalt-Verluste (E on ) Einschalt-Verluste [mj/a] ABB 12V SPT V DC = 75V 2 C 15 C 1 C 5 C ABB Switzerland Ltd Stromdichte [A/cm 2 ]
32 Funktion des IGBT bei 2 C Feststellung: Alle Lebensfunktionen des IGBT sind bei 2 C erhalten Aber: Funktioniert der IGBT auch im normalen Betrieb? Betrieb im Modell: Pulsmuster R th ABB Switzerland Ltd Strom Schaltfrequenz IGBT Modell f(i,t j ) Verlustleistung x T j
33 Strom gegen Schaltfrequenz und T j 5 4 ABB 12V SPT IGBT 6.5 x 6.5 mm 125 C) R th(j-kühlkörper) = 35 K/kWcm 2 T Kühlkörper = 8 C khz (Dauerstrom) 2 khz Strom [A] khz 1 1 khz ABB Switzerland Ltd Sperrschicht-Temperatur T j [ C] 2 khz
34 Einfluss von Variationen: Beispiel R th I.5 x I.5 x I Modul-Bodenplatte Kühlkörper Keramik IGBT.9 x R th,nominal IGBT 1.1 x R th,nominal ABB Switzerland Ltd
35 Einfluss von Variationen: Beispiel R th 5 4 ABB 12V SPT IGBT 6.5 x 6.5 mm 125 C) R th(j-kühlkörper) = 35 K/kWcm 2 T Kühlkörper = 8 C khz (Dauerstrom) 2 khz Strom [A] khz 1 1 khz ABB Switzerland Ltd Sperrschicht-Temperatur T j [ C] 2 khz
36 Einfluss ungleichmässiger Kühlung ABB Switzerland Ltd Sperrschicht-Temperatut T j [ C] Tj [ C] Ta f = 58 khz C duty T Kühlkörper cycle d = = 8 C.5 fsw Taktverhältnis = 5 Hz =.5 IGBT mit 11% R th,nominal beide IGBT mit R th,nominal IGBT mit 9% R th,nominal Ic per chip [A], ideal sharing assumed Strom pro Chip [A]
37 Sicherer Arbeitsbereich = f(δr th ) % 1% 15% 2% 25% ΔR th(j-kühlkörper) ABB Switzerland Ltd Beherrschbarer Strom [A] Auslegungstemperatur Tj,max [ C] 5 f = 5 khz T Kühlkörper = 8 C Taktverhältnis =
38 Problembeschreibung (1/2): Durchlass 3 5 C 1 C 15 C 2 C Stromdichte [A/cm 2 ] 2 1 Erhöhung der Temperatur: II IGBT mit unterschiedlichem T j führen zunehmend ähnliche Stromdichten! ABB Switzerland Ltd Durchlass-Spannungsabfall V ce(on) [V]
39 Problembeschreibung (2/2): E on Einschalt-Verluste [mj/a] C Einschaltverluste steigen stark an mit Erhöhung von T j Temperaturunterschied von II IGBT verstärkt sich thermisches weglaufen 15 C 1 C 5 C ABB Switzerland Ltd Stromdichte [A/cm 2 ]
40 Ursache: Strombegrenzung des IGBT Stromdichte [A/cm 2 ] markttypische 12V IGBTs Peakstrom beim Einschalten von 2 x I nominal 2 x I nominal = I max I SC ca. 6 x I nominal 5 C 1 C 15 C 2 C I nominal für T j,max = 125 C ABB Switzerland Ltd Durchlass-Spannungsabfall V ce(on) [V]
41 Ursache: Strombegrenzung des IGBT Spannung [V] Stromdichte [A/cm 2 ] markttypische 12V IGBTs Reverse Recovery der Freilauf-Diode 2 x I nominal Zeit [μs] Peakstrom beim Einschalten von 2 x I nominal 2 x I nominal = I max Strom [A] I SC ca. 6 x I nominal 5 C 1 C 15 C 2 C I nominal für T j,max = 125 C ABB Switzerland Ltd Durchlass-Spannungsabfall V ce(on) [V]
42 Ursache: Strombegrenzung des IGBT Stromdichte [A/cm 2 ] markttypische 12V IGBTs 2 C: Peakstrom beim Einschalten von 2 x I nominal I nominal für T j,max = 2 C 2 C: 2 x I nominal = I max I SC ca. 6 x I nominal 5 C 1 C 15 C 2 C I nominal für T j,max = 125 C ABB Switzerland Ltd Durchlass-Spannungsabfall V ce(on) [V]
43 Und die SOA? Notwendige Strom-Abschaltfähigkeit zur optimalen thermischen Ausnutzung des Halbleiters: T j,max = 125 C: ca. 2 kw/cm 2 Silizium T j,max = 2 C: ca. 3-4 kw/cm 2 Silizium ABB Switzerland Ltd
44 25A (6.5 x 6.5 mm) 12V IGBT bei 2 C RBSOA testing at 1 V, Ls = 8 nh, Rg = 47 Ohm, Tjstart = 2 C Strom Ic [A] [A] Ic = 1A Leistungsdichte Ic = 4 kw/cm 2 Vce Vce Spannung Vce [V] [V] 2 2 ABB Switzerland Ltd time [us] Zeit [μs]
45 33V IGBT bei 125 C Chipfläche = 1 cm 2, Streuinduktivität auf ein Modul skaliert (L σ =2.4μH) Keine Schutzbeschaltung (snubber), keine Spannungsbegrenzung Strom [A] I C [A] Leistungsdichte = 1.5 MW/cm Spannung [V] V CE [V] ABB Switzerland Ltd Zeit [ s] Zeit [μs]
46 Zusammenfassung & Folgerungen Wege zur Ausschöpfung der Leistungs- Reserven von Silizium-Leistungshalbleitern Effizientere Kühlung Höhere Betriebstemperatur Weitere Senkung der Verluste Weitere Verlustsenkung nur in beschränktem Mass möglich Praktische Grenzen der Betriebstemperatur von Silizium: ca. 22 C bei 12V, fällt gegen 18 C bei 65V Kleinstmögliche Leckströme sind ein Muss Kurzschlussfestigkeit von IGBT muss reduziert oder ganz geopfert werden ABB Switzerland Ltd Die Gehäusetechnologie steht vor grossen Herausforderungen
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