Huesgen, Till
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This paper presents a novel fabrication concept for PCB embedded power semiconductors. Here, the semiconductors are attached to an insulated metal substrate, which is embedded in a second step into an almost-ready PCB. This approach avoids handling of bare dies during PCB production. To demonstrate the feasibility of the concept, a 1200 V / 50 A B6 bridge is designed and fabricated. The performance is evaluated and benchmarked. Compared to a conventional DBCbased power module, the conduction losses are reduced by 21% and the thermal resistance is reduced by 29%. Turn-off losses are 25% lower, while turn-on losses are about the same for both module types. A further optimization of the switching performance is possible, but requires a reduced DC-link inductance and an optimization of the gate resistance.
Due to an increasing demand in miniaturization of power converter, power loss densities increase significantly, which makes their thermal management difficult. One way to face this challenge is PCB embedding of semiconductors. This approach provides a much shorter thermal path from semiconductor to a coolant, than with a usual DBC-based power module. Still, a typically liquid cooling heat exchanger, which is connected to the power module forms a main part of the overall thermal resistance. This paper presents a novel design of a PCB embedded power module with a small size heat exchanger. To meet the requirements of the targeted application a dielectric coolant was used. A parametric study was performed to find out the most suitable cooling concept. Jet impingement on an optimized cooling surface with an increased area is persecuted. The heat exchanger design is described and the thermal performance is evaluated by CFD-simulations. The overall thermal resistance for the IGBT was calculated to Rth junction-coolant = 0.52 K/W. For comparison a reference DBC-based power module on a standard cold plate is considered. Its thermal resistance was Rth junction coolant = 1.03 K/W which is almost two times higher than the embedded version with direct cooling.
The increasing demands on power electronics with high currents and high operating temperatures has led to the establishment of ceramic substrates. More efficient heat distribution, as well as increased thermal durability, are two aspects of the superior properties of ceramic substrates compared to conventional Printed Wiring Boards (PWB). Nevertheless, there is an demand to develop new solutions based on PWBs to provide affordable and highly integrated power electronic devices for electromobility. For cost optimization, it would be advantageous to replace the hybrid technology with a single board in order to reduce materials, parts and interconnections. Unfortunately, mounting techniques like pressure-assisted silver sintering lead to damages of epoxy-glass-substrates due to high bonding pressures and high temperatures during bonding. Recent projects led to the development of high-temperature stable benzoxazin-based wiring boards. Investigations on the quality and reliability of sintered assemblies on these PWB-substrates are still pending and were systematically carried out in this work.
Piezomaterialien finden in der Mikrosystemtechnik ein breites Anwendungsspektrum. Die Machbarkeitsstudie untersucht die Möglichkeiten Piezoplatten in den Herstellungsprozess von modernen Leiterplatten-Multilayer zu integrieren. Die glasfaserverstärkte Epoxidstruktur des PCBs wirkt zum einen als Träger für die spröde Piezokeramik. Des Weiteren kann durch die internen Leiterbahnen eine Kontaktierung der Keramik realisiert werden. Im Vorfeld wurden der Lagenaufbau sowie geometrischen Voraussetzungen für eine Verbindung mittels Lotpaste experimentell überprüft. Als Anwendungsbeispiel wird ein Vibrations-Harvesters aufgebaut und getestet. Die maximale Leistung des Harvesters liegt bei 7,86 mW mit einer Eingangsbeschleunigung von 4g. Der positive Funktionstest demonstriert die grundsätzliche Anwendbarkeit des Ansatzes, auch wenn die elektrische Kontaktierung mittels Lotpaste kritisch zu bewerten ist.
Leiterplattenembedding von Halbleiterbauelementen für die Leistungselektronik – vom Modul zum System
(2018)
Das Einbetten von Halbleiterbauelementen in Leiterplatten ist ein alternativer Ansatz zur Steigerung der Leistungsdichte und Funktionalität von leistungselektronischen Systemen. Diese Arbeit stellt ein neuartiges Verfahren vor, bei dem die Halbleiter nach der Leiterplattenfertigung in Kavitäten eingebettet werden. Die Betriebscharakteristik derartiger Leiterplattenmodule wird systematisch an Hand eines 1200 V / 50 A Demonstrators untersucht. Ein Benchmark mit einem herkömmlichen, kommerziell verfügbaren Leistungsmodul mit identischen Halbleiterbauelementen verdeutlicht die Vorteile der Technologie: die parasitären Widerstände und Induktivitäten des EmbeddedModuls sind gegenüber der Referenz um 86 % bzw. 65 % verringert. Der thermische Widerstand fällt um 29 % niedriger aus. Mit diesen Daten wurde eine theoretische Analyse auf Systemebene durchgeführt, wobei ein 23 kW Antriebsumrichter als Beispielanwendung dient. Alleine durch das Leiterplattenembedding ist eine Steigerung der Ausgangsleistung um 14,5 % möglich. Eingriffe in die Schaltungstechnik sind dazu
nicht notwendig.