Entwicklung und Erprobung einer neuartigen Aufbau- und Verbindungstechnik für Leistungshalbleiter mittels Selective Laser Melting (SLM)
Final Report Abstract
In diesem Projekt ist es weltweit erstmalig gelungen mit Hilfe des 3D-Metall-Druck Verfahrens Selective Laser Melting direkt auf der Chip-Metallisierung einer Leistungsdiode einen elektrischen Kontakt zu erzeugen bzw. zu drucken, ohne deren Funktionalität zu zerstören. Hierfür war sowohl die Entwicklung eines speziellen Pulver-Auftrags-Mechanismus in Kombination mit einer Einzelpulsbelichtung nötig, als auch eine Verstärkung der Chip- Metallisierung mit einem Ti-Al-Dickfilm-Multilayer. Aufgrund der Korngröße zur Verfügung stehender Al-Pulver bleibt die Minimierung der Pulver-Schichtdicke der ersten Schicht und damit die Minimierung der erforderlichen Laserpulsenergie trotz des neu entwickelten Auftrags-Mechanismus eine Herausforderung. Auch muss für eine technisch relevante Verwendung des Prozesses die Laser-Anlagensteuerung so angepasst werden, dass die im normalen SLM-Prozess gegebene Geometriefreiheit auch im Einzelpuls-Modus gegeben ist. Basierend auf der prinzipiellen Möglichkeit, dichte, vertikal gewachsene Strukturen direkt auf der Chip-Metallisierung aufzubauen, wurde ein neues Package-Konzept für Leistungshalbleiter-Module untersucht, welches zum Ziel hat die thermo-mechanischen Belastungen des Packages im Betrieb zu minimieren. Dieses Konzept weicht aufgrund der sich im Projektverlauf als möglich erwiesenen Strukturgrößen in Kombination mit den resultierenden thermischen Widerständen vom ursprünglich anvisierten Konzept ab, indem es nun zu einem direkten Kontakt zwischen Kühlmedium und Chip kommt. Das Konzept basiert auf einem Micro-Pin-Fin-Kühler, der direkt auf den Chip gedruckt wird. Dabei zeigte sich, dass trotz des erforderlichen Umstiegs von Wasser- auf Öl-Kühlung und des Wegfalls klassischer Wärmespreizung dank realisierbarer Strukturgrößen von weniger als 500 µm thermische Gesamtwiderstände von weniger als 0,4 Kcm²/W bei einseitiger Kühlung erzielen lassen. Für die nun mögliche doppelseitige Kühlung bedeutet dies theoretisch bei einer Temperaturdifferenz von 150 °C eine mögliche Leistungsdichte von 750 W/cm². Dank der erzielbaren Wärmeübergangskoeffizienten reichen bereits wenige Millimeter Pin-Höhe aus, um den Pin auf nahezu Fluid-Temperatur abzukühlen. Dies bedeutet, dass die thermisch bedingte Ausdehnung des Terminals im Bereich der Ausdehnung des Halbleiter-Chips liegt, und so die thermo-mechanische Beanspruchung vor allem der äußeren Pins minimiert wird. Ein nach diesem Konzept erstelltes Package für ein Halbbrücken-Modul mit gleichen Schraubanschlüssen wie in kommerziellen Modulen, wies eine Streuinduktivität von nur 6 nH auf. Mit den bereits heute möglichen Strukturgrößen lassen sich also flüssigkeitsgekühlte Packages für Leistungshalbleiter herstellen, die sowohl die Leistungsdichte erhöhen als auch die Streuinduktivitäten um den Faktor 2 senken.
Publications
- "Innovative and Reliable Power Modules: A Future Trend and Evolution of Technologies," in Industrial Electronics Magazine, IEEE , vol. 8, no.3, pp.6-16, 2014
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(See online at https://doi.org/10.1109/MIE.2014.2304313) - "Packaging for power semiconductors based on the 3D printing technology Selective Laser Melting," in Power Electronics and Applications (EPE'14-ECCE Europe), 2014 16th European Conference on , vol., no., pp.1-7, 26-28 Aug. 2014
Conrad, M.; De Doncker, R.W.; Schniedenharn, M.; Diatlov, A.
(See online at https://doi.org/10.1109/EPE.2014.6910965) - "Implementation aspects of on-chip printed micro heat sinks for power semiconductors," in Energy Conversion Congress and Exposition (ECCE), 2015 IEEE , vol., no., pp.5716-5723, 20-24 Sept. 2015
Conrad, Marcus; Diatlov, Andrei; DeDoncker, Rik W.
(See online at https://doi.org/10.1109/ECCE.2015.7310463) - Purpose, potential and realization of chip-attached micro-pin fin heat sinks, Microelectronics Reliability, Volume 55, Issues 9–10, 2015, Pages 1992-1996, ISSN 0026-2714
M. Conrad, A. Diatlov, R.W. De Doncker
(See online at https://doi.org/10.1016/j.microrel.2015.07.007)
