Fraunhofer-Verbund Mikroelektronik in Kooperation mit den Leibniz-Instituten FBH und IHPIntegrierte Leistungselektronik für modular verteilte E-Antriebe
Der von Vishay und Fraunhofer ISIT entwickelte IGBT mit Ni/Au als Gate- und Emitter Anschlussfläche.
InMove
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 Fraunhofer ISIT auf die Entwicklung von ultradünnen Feldstopp IGBTs und die Anpassung an fortschrittliche Assemblierungstechniken.
Im Rahmen des Verbundprojekts InMOVE wurden Technologien zu einem Antriebskonzept für modular verteilte Elektroantriebe mit hoher Drehzahl und damit seitens der E-Maschine hoher Leistungsdichte erforscht. Voraussetzung für die Realisierung solcher Antriebsmodule ist eine sehr kompakte Bauweise der zu integrierenden Leistungselektronikkomponenten.
Ziele und Herausforderungen
- Aufteilung der Antriebsleistung eines 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 Leistungselektronikkomponenten
- Verfolgung der Leistungselektroniktechnologien in einem mechatronischen Gesamtansatz
Die Lösung
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.
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 Fraunhofer ISIT und 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 150 µm)
- Rückseitenprozessierung durch Implantation und Laser-Annealing (l =515 nm)
- Metallisierung der Chip-Rückseite mit Ti/Ni/Ag
Mehr Informationen dazu finden Sie auch direkt auf der Seite des in der FMD kooperierenden Instituts Fraunhofer ISIT: