Dickschicht-Hybridtechnik auf Aluminiumnitrid-Keramik für Leistungsmodule

Die zunehmende Verlustleistung und das sinkende Bauvolumen moderner elektronischer Bauteile führt zu hohen Leistungsdichten und damit zu steigenden Bauteiltemperaturen. Unter Umständen sogar so sehr, dass es zum Überschreiten der zulässigen maximalen Betriebstemperatur und damit zu einer Zerstörung des Bauteils kommt. Die Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) der Bauelemente muss daher nicht nur die elektrisch Kontaktierung herstellen sondern gleichzeitig eine gute Wärmeableitung sicherstellen. Dem verwendeten Schaltungsträger kommt hierbei eine entscheidende Aufgabe zu, die entstehende Wärme vom Bauelement zu einer Wärmesenke abzuleiten. Das keramische Substratmaterialien Aluminiumoxid (Al2O3) besitzt einen hohen Isolationswiderstand und eine gute thermische Leitfähigkeit. Mit der bekannten Dickschichttechnik können auf Al2O3-Substraten Leiterbahnen gedruckt und passive Bauelemente integriert werden; Al2O3 ist daher ein geeigneter Schaltungsträger. Für sehr hohe Verlustleistungen oder -dichten reicht die thermische Leitfähigkeit von Al2O3 jedoch nicht aus, um eine ausreichende Entwärmung der Bauelemente sicherzustellen. In der Dickschichttechnik können daher Substrate aus Berylliumoxid (BeO) eingesetzt werden, die eine zehnfach höhere Wärmeleitfähigkeit besitzt. Die hohe Toxizität von BeO-Staub erfordert hingegen aufwendige Schutzmaßnahmen während der Verarbeitung. Seit den letzten zwei Jahrzehnten ist ein weiteres Substratmaterial Aluminiumnitrid (AlN) in der Dickschichttechnik bekannt. Es besitzt eine ähnlich hohe Wärmeleitfähigkeit wie BeO-Substrate, ist dabei jedoch nicht toxisch. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von AlN ist zudem hervorragend an Silizium (Si) angepasst, wodurch bei Erwärmung nur geringe Scherspannungen in der Verbindungsschicht zwischen Substrat und einem ungehäustem Si-Halbleiter entsteht. Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) von elektronischen Leistungsmodulen im Hinblick auf den Einsatz von AlN-Substraten. Ein wesentlicher Schwerpunkt stellt hierbei der thermische Widerstand da, der anhand von Simulationen und Messungen mit dem Standard-Substratmaterial Al2O3 verglichen wird.