Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie

Automotive Power Inverters

Der kompakteste Elektroantrieb der Welt

Der Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) ist das wichtigste Halbleiter-Leistungsbauelement für Anwendungen im mittleren Leistungsbereich für Spannungen > 400 V. Um seine Effizienz bzgl. Schalt- und Durchlassverhalten zu verbessern, konzentriert sich das ISIT auf die Entwicklung von ultradünnen Feldstopp IGBTs. Ein weiterer Aspekt ist die Anpassung an fortschrittliche Assemblierungstechniken. 

Unser Leuchtturmprojekt zu diesem Thema ist ATEM InMOVE - ein Verbundprojekt der verschiedenen Partner aus Wissenschaft und Industrie. Im Rahmen des Projekts erforschten die beteiligten Firmen Technologien zu einem Antriebskonzept für modular verteilte Elektroantriebe hoher Drehzahl und damit seitens der E-Maschine hoher Leistungsdichte.

Leuchtturmprojekt InMOVE

ATEM InMOVE ist ein Verbundprojekt der verschiedenen Partner aus Wissenschaft und Industrie. Im Rahmen des Projekts erforschten die beteiligten Firmen Technologien zu einem Antriebskonzept für modular verteilte Elektroantriebe hoher Drehzahl und damit seitens der E-Maschine hoher Leistungsdichte.

Die Projektpartner stellten sich der Herausforderung, den elektrischen Antrieb so kompakt wie möglich zu gestalten. Die Wissenschaftler des ISIT arbeiteten vor allem an der Optimierung der IGBTs und der Leistungsmodule für den Umrichter. 

Projektpartner

Volkswagen AG, Danfoss Silicon Power, Vishay Siliconix Itzehoe GmbH, FTCAP GmbH, Reese + Thies Industrieelektronik GmbH, Fraunhofer ISIT, FH Kiel: Institute für Mechatronik & Elektrische Energietechnik.

Ziele & Herausforderungen

Vorhaben InMOVE

  • Aufteilung der Antriebsleistung elektrischen Fahrzeugantriebs auf mehrere kompakte Elektroantriebsmodule 
  • Skalierbare elektrische Antriebsleistung 
  • variable Antriebsarchitektur bei Verwendung gleicher Komponenten
  • Elektroantriebsmodule aus einer schlanken schnelldrehenden Elektromaschine mit integriertem Umrichter
  • Reduktion die Entwicklungskosten der elektrischen Antriebskomponenten
  • sehr kompakte Bauweise der Leistungselektronik-Komponenten
  • Verfolgung der Leistungselektroniktechnologien in einem mechatronischen Gesamtansatz 

»Integrierte elektrische Antriebssysteme sollen so klein, kostengünstig und zuverlässig sein wie eine Schraube.«

Die Lösung

Systemmodell des Antriebsumrichters

  • Implementierung des thermischen Verhaltens des Halbrückenmoduls anhand eines Foster Netzwerks
  • Zulässige Bauelementtemperatur bei Maximalbelastung: TJ,max = 175°C
  • Lebensdauer: Fahrzyklus 8875 s 
  • Temperaturhübe: min 2°C, max 60°C
  • Lebensdauerabschätzung (Zyklenzahl bis zum Defekt): Fahrstrecke von 450.000 km
  • Mit Danfoss Bond Buffers 10-15 fach höhere Lebensdauer 
  • Verbesserung des Gesamtwirkungsgrades und der Gesamtperformance dank IGBTs von ISIT/Vishay

Chip Layout, Maskensatz und Sonderprozesse

  • Metallisierung der Chip-Vorderseite mit einer electroless Ni/Au-Schicht 
  • Anwendung von Trägerverfahren zur Rückseitenbearbeitung von dünnem Silizium (50 µm bis 150µm)
  • Rückseitenprozessierung durch Implantation und Laser-Annealing (l =515 nm)
  • Metallisierung der Chip-Rückseite mit Ti/Ni/Ag

Fraunhofer ISIT & VISHAY

IGBT- Chipentwicklung

Auf Basis der Systemsimulationen für den zu entwickelnden modularen Umrichter wurden die Anforderungen an 1200 V / 200 A Trench Feldstopp IGBTs festgelegt. Die IGBTs sollten bei 13,5 kHz und möglichst geringen Schaltverlusten bis Tj,max = 175°C betrieben werden können. Die Abbildung 3 zeigt den von Vishay und Fraunhofer ISIT entwickelten IGBT mit Ni/Au als Gate- und Emitter Anschlussfläche. 

IGBT-Herstellung

  • Entwicklung und Herstellung von drei IGBT-Varianten in drei Lernzyklen 
  • Modifikation der bestehenden Standard IGBT Architektur (STD-IGBT) zur Realisierung von Injection Enhancement Bauelementen mit 5 µm (IEP5) und 4 µm (IEP4) Zellpitch.
  • Iterative Anpassung der Bauelement-Performance durch spezielle Laser unterstützte Anpassung der p/n-dotierten rückseitigen p+-Emitter- und Feldstoppschicht. 

IGBT: Spezifikationen und technische Details

Tabellenreiter rechts aufklappen:

Spezifikation des IGBT

Parameter Zielwert Layout
Temperatur     25°C 125°C 150°C 175°C  
Spannung
 [V] 1200          
NennstromInom [A] 200          
Frequenz f [kHz] 13,5 Modul-Grobspezifikation  
VCEsat (Trade-Off Rg = 1 Ω) abhängig [V]   1,95 2,2 2,24 x IE-IGBT
Vorwiderstand RG Ω 1          
Mechanische-Abmessungen:
Chip-Abmessungen [mm2] 15,92 x 12,01    
Gate-Pad Position   Rand-Mitte          
Chip-Fläche (ohne Gate) (PAD) [mm2] 153          
Chip-Dicke [µm] 120-140          
1) Verlustleistung: aus Datenblatt Referenzmodul, internal Rg = 4,7, RGoff = 0,91 Ω, 30 nH, 25°C)
Eon (1200 V, 200 A) [mJ]   10,5 1)
        
Eof (1200 V, 200 A) [mJ]   11 1)        
Etot = Eon + Eoff [mJ]   21,5 1)        
Kurzschlusszeit, tsc     mit IE: 7,5 µs (150°C, 800V) ohne IE: max 7 µs (25°, 900 v)        
Metallisierungsaufbau              
Vorderseite [µm] tbd. Sinterfähig: Ni-Au oder Ni-Pd-Au elektroless        
Rückseite [µm]   Ti 50 / Ni 100 / Ag 1000        
Technische Details zu den Modulaufbauten

Technologie STD IEP5 IEP5 IEP4
Modulaufbau

Lead-Frame

5 µm Pitch offenes Modul

Lead-Frame

5 µm Pitch offenes Modul

"Moldmodul"

5 µm  

"Moldmodul"

4 µm
1. Modulserie (Mod1) 2. Modulserie (Mod2)
 3. Modulserie (Mod3)
 4. Modulserie (Mod4)
Aufbautechnik, Vorderseite Alu Drahtbond auf N/Au bzw. Al Alu Drahtbond auf Ni/Au bzw. Al DBB auf Ni/Au Cu Drahtbond auf DBB DBB auf Ni/Au Cu Drahtbond auf DBB
Aufbautechnik, Rückseite Ti/Ni/Ag +Sintern auf DCB Ti/Ni/ag + Sintern auf DCB Ti/Ni/Ag + Sintern auf DCB Ti/Ni/Ag + Sintern auf DCB
IGBT STD 1. Generation IEPS 2. Generation IEPS 3. Generation
 IEP4 5. Generation
Rg, IGBT_intern 0,7 Ω 0,7 Ω 0,7 Ω 0,7 Ω
Metall: Emitter
 Ni/Au Ni/Au Ni/Au Ni/Au
Metall: Kollektor Ti/Ni/Ag
 Ti/Ni/Ag Ti/Ni/Ag Ti/Ni/Ag
Diode: Metall: Anode SMIKORN, SKCD_81_C_120_I4F
Al Al Ni/Au Ni/Au
Metall: Kathode lötbar, Ni/Ag lötbar, Ni/Ag lötbar, Ni/Ag lötbar, Ni/Ag

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