Fraunhofer-Institut für Siliziumtechnologie
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IGBTs

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Die Herausforderungen im Bereich der Leistungselektronik liegen in der Notwendigkeit, die Effizienz von Halbleiter-Leistungsbauelementen, insbesondere von Insulated Gate Bipolar Transistoren (IGBTs), zu verbessern. Bei Spannungen über 400 V müssen die Schalt- und Durchlassverhalten optimiert werden, um den Anforderungen an moderne Elektroantriebe gerecht zu werden.

Der kompakteste Elektroantrieb der Welt

Unser Ansatz konzentriert sich auf die Entwicklung von ultradünnen Feldstopp IGBTs, um die Effizienz zu steigern. Zudem arbeiten wir an der Anpassung an fortschrittliche Assemblierungstechniken, die eine bessere Integration in modulare Elektroantriebssysteme ermöglichen, wie sie im Leuchtturmprojekt ATEM InMOVE erforscht werden.

Die Technologien, die in der Entwicklung von IGBTs und modularen Elektroantrieben eingesetzt werden, umfassen innovative Materialien und Fertigungstechniken. Diese Technologien zielen darauf ab, die Leistungsdichte der E-Maschinen zu erhöhen und die Effizienz des gesamten Antriebskonzepts zu optimieren.

IGBT: Spezifikationen und technische Details

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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

Anwendungsbeispiele für die neuen Antriebskonzepte sind die Implementierung in Bereichen mit hohen Drehzahlen und modularen Antriebssystemen, die in der Automobilindustrie, bei industriellen Anwendungen und in der Forschung zu erneuerbaren Energien zum Einsatz kommen.

Die Vorteile, die sich aus der Nutzung dieser neuen Technologien ergeben, umfassen eine verbesserte Effizienz, eine höhere Leistungsdichte, Kostensenkungen durch optimierte Fertigungsprozesse und eine verbesserte Anpassungsfähigkeit an verschiedene Anwendungen und Marktbedürfnisse.