Standhaft bei hohen Stromstärken

HVOF-gespritzte Isolationsschichten für Anwendungen in der Leistungselektronik

Die aktuelle technologische Entwicklung führt zu zunehmenden thermischen Wechselbelastungen, bei denen klassische Kupfer-Sandwichstrukturen zunehmend an ihre Grenzen geraten. Die Untersuchung von 20 Spritzpulvern zeigt: Es gibt Alternativen!

Für Anwendungen im Bereich von Leistungselektronik-Komponenten sind elektrisch isolierende Schichten mit einer hohen Durchschlagfestigkeit, einem hohen elektrischen Widerstand und einer hohen thermischen Leitfähigkeit notwendig. Im Folgenden wird deshalb das Potential von HVOF-gespritzten Schichten für Leistungselektronik-Komponenten anhand von 20 verschiedenen Pulvern untersucht. Diese Pulver sind Aluminiumoxid-Keramiken, welche Beimengungen von Chrom-, Titan- und Magnesiumoxid enthalten. Als wesentliches Ergebnis dieser Arbeit ist festzustellen, dass grundsätzlich sowohl reines Aluminiumoxid als auch Spinell (Al2O3-28MgO) die Anforderungen an die elektrische Isolation erfüllen. Damit der spezifische Durchgangswiderstand groß genug wird, sollten diese Isolationsschichten allerdings nachträglich versiegelt werden und die Menge an Verunreinigungen wie Na2O oder Fe2O3 muss geringer als 0,1 Prozent sein.

Bisherige Technologien erreichen Grenzen

Elektronikkomponenten sind heute substantielle Bestandteile moderner Fahrzeugtechnik und liegen im Fokus der ingenieurstechnischen Weiterentwicklung. Dies zeigt sich besonders deutlich am Beispiel der in den letzten Jahren bis zur Serienreife entwickelten Hybrid- oder Elektrofahrzeuge mit integriertem elektrischem Antrieb. Aber auch in rein mit Verbrennungsmotoren angetriebenen modernen Fahrzeugen sind umfangreiche leistungselektronische und mechatronische Systemkomponenten in der Entwicklung oder bereits Stand der Technik. Teilweise müssen diese elektronischen Bauelemente hohen Stromstärken von bis zu einigen hundert Ampere standhalten können. Die derzeitige Aufbautechnik mit vorgefertigten Substraten aus Cu/Al2O3/Cu-Sandwichstrukturen (sogenannte DCBs, direct-copper-bonded) und verlöteten Kühlkörpern erreicht dabei technische Grenzen. Baugruppen versagen dabei aufgrund der hohen thermischen Wechselbelastungen oft bereits nach wenigen Zyklen. Weiterhin ist die Fertigung aufwendig, unflexibel sowie material- und kostenintensiv.


Ein neues Produktionskonzept ist die Herstellung von leistungselektronischen Schaltungsträgern mit einer Kombination aus Thermischem Spritzen und Kaltgasspritzen (siehe Bild links). Diese Schaltungsträger lassen sich direkt auf das Substrat, zum Beispiel einen Kühlkörper aus einer Aluminiumlegierung, aufbringen und ermöglichen damit höher integrierte Lösungen, welche entstehende Wärme besser ableiten. In diesem Produktionskonzept bestehen die Komponenten aus einem Grundmaterial und einem Haftgrund, auf welchem eine elektrisch isolierende Keramik und darauf eine Metallisierung, wie  Leiterbahnen und Lötanbindungsflächen, aufgebracht werden können.

Spezifischer Durchgangswiderstand Rspez und Durchschlagfestigkeit ED für die untersuchten Isolationsbeschichtungen. Mindestanforderungen für Einsatz der Schichten in der Leistungselektronik: blaue, gestrichelte Linie (Rspez > 108 Ohm*m) und rote Linie (ED > 6 kV / mm); Standardabweichung für ED: N = 5 Messungen; für Rspez wurde jeweils eine Messung durchgeführt (Bild: OBZ)

Verschiedene Pulver im Vergleich

Die meisten verwendeten Pulver der Materialsysteme Al2O3, Spinell (Al2O3-28MgO) und Al2O3-TiO2 97/3 haben nach einer abschließenden Versiegelung einen Rspez über den minimal benötigten 108 Ohm*m, welche als Voraussetzung für die Verwendung in der Leistungselektronik gelten. Die Materialien Al2O3-Cr2O3 und Al2O3-TiO2 94/6 zeigen mit Ausnahme von Al2O3-Cr2O3 60/40 einen zu niedrigen Durchgangswiderstand.


In diesen Fällen sorgt die Beimischung von im Vergleich zu Aluminiumoxid deutlich besser leitfähigen Materialien wie Chromoxid und TiOx, welches sich während des Spritzens aus TiO2 bildet, für eine Verminderung von Rspez. Die Grafik auf der rechten Seite fasst die elektrischen Eigenschaften der Isolationsschichten zusammen.
Für eine Anwendung in der Leistungselektronik muss neben der Forderung Rspez > 108 Ohm*m auch die Durchschlagfestigkeit ED hoch genug sein. Eine wichtige Spannungsklasse für Umrichter mit IGBT liegt bei 600 V. Diese Spannungsklasse verlangt aus Sicherheitsgründen eine Beständigkeit gegen Durschläge bis 1200 Volt. Da die Isolationsschichten zur Gewährleistung einer ausreichenden thermischen Leitfähigkeit möglichst dünn bleiben müssen, sollte die Durchschlagfestigkeit > 6 kV/mm betragen. Wie die Grafik zeigt, werden die kombinierten Anforderungen an RSpez und ED von etwa der Hälfte der untersuchten, versiegelten Al2O3- und Spinell-Schichten erfüllt.