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Aluminiumnitrid (AlN)-Keramiksubstrate für eine effiziente Kühlung von IGBT-Modulen

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Aluminiumnitrid-Keramik-Substrate

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Hinter der schnellen Bewegung von Elektrofahrzeugen, dem Betrieb von Photovoltaik-Kraftwerken und der präzisen Steuerung industrieller Produktionslinien steht ein gemeinsames zentrales Leistungsbauteil - das IGBT-Modul (Insulated Gate Bipolar Transistor). Es wandelt Gleichstrom in Wechselstrom um, regelt präzise die Motordrehzahl und das Drehmoment, steuert effizient Leistungsschalter und vervollständigt die Umwandlung und Regelung der elektrischen Energie. Er ist das "Herz" der leistungselektronischen Geräte.

Da die Industrie die Leistung und Effizienz von Systemen kontinuierlich verbessert, entwickeln sich IGBT-Module in Richtung höherer Leistungsdichte, geringerer Größe und größerer Zuverlässigkeit, um die Anforderungen an ein geringes Gewicht in Elektrofahrzeugen, eine hohe Leistungsabgabe, einen effizienten Betrieb von Wechselrichtern für neue Energien sowie eine lange Lebensdauer und hohe Zuverlässigkeit von industriellen Frequenzumwandlungsanlagen zu erfüllen. Bei solchen Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Wärmebelastung ist die sichere und effiziente Ableitung der vom Chip erzeugten Wärme eine große Herausforderung für das Moduldesign geworden.

Die Antwort liegt zum großen Teil in einer scheinbar unbedeutenden Komponente des Moduls verborgen - der Grundplatte. Es handelt sich nicht um eine gewöhnliche Metallplatte, sondern um ein präzises Bauteil aus einer Kupfer-Keramik-Kupfer-Verbundstruktur. Das Substrat von IGBT-Modulen wird traditionell aus keramischen Materialien hergestellt. Für Module mit geringer Leistung wird in der Regel Aluminiumoxid verwendet, das kostengünstig ist und über ausgereifte Herstellungsverfahren verfügt. Bei Anwendungen mit hoher Leistung und hoher Zuverlässigkeit hat sich jedoch Aluminiumnitrid aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit und seiner hervorragenden Isolationseigenschaften als wichtigstes Material für moderne IGBT-Substrate durchgesetzt.