Insulated Metal Substrate Technologie

Für Anwendungen, bei denen hohe Temperaturen über eine Leiterplatte (PCB) abgeleitet werden müssen, erweist sich die sogenannte „Insulated Metal Substrate“ (IMS) Technologie als besonders beliebte und ausgesprochen effiziente Kühllösung. IMS-basierte PCBs verwenden Aluminium für den Metallkern und eignen sich somit bestens für das Wärmemanagement von Schaltungen aller Art. Ein besonders aktuelles Beispiel dieser IMS-Technologie sind Power-Module und LED-Anwendungen mit hoher Leistung.

 

"Insulated Metal Substrate Technologie“

Ein führendes Unternehmen im Bereich Leistungselektronik mit hohem Ansehen in Sachen Performance und Zuverlässigkeit ist ON Semiconductor. 1969 entwickelte ON Semiconductor als erstes Unternehmen die sogenannte Insulated Metal Substrate Technology (IMST®), die neben der Montage von passiven und aktiven Bauelementen auch den Aufbau von ICs für elektronische Schaltungen auf Aluminiumplatten mit hervorragender Wärmeleitfähigkeit erlaubt, darunter Power-Output sowie Regel- und Peripherie-Schaltungen. Heutzutage setzt das Unternehmen IMST vor allen Dingen für seine intelligenten Power-Module (IPMs) ein. Der Aufbau der IMST wird in Abbildung 1 dargestellt.

 

Abbildung 1 – Aufbau der IMST

 

Die IMST Technologie besteht aus hochgradig wärmeleitfähigem Aluminiumsubstrat unter einer isolierenden Schicht und einer Kupferfolie für die elektrischen Leitungen. Ein besonders Merkmal dieser Technologie ist, dass sie ganz ohne Keramik als Isolator oder mechanischem Trägermaterial auskommt und somit erheblich besser geerdet werden kann als Hybridprodukte auf der Grundlage von Keramik. Die Technologie ist dank der verteilten Kapazität von Seiten des isolierenden Harzes zwischen dem Aluminiumsubstrat und der Kupferfolie zudem ausgesprochen wirkungsvoll gegen EMV-/EMI-Störgeräusche. Darüber hinaus verschafft diese Technologie zusätzliche Stabilität gegenüber mechanischen und temperaturbedingten Belastungen und sorgt für einen besser an Silizium angepassten Wärmekoeffizienten.

 

Das Fügen

Eine besondere Herausforderung besteht darin, dass Lötstellen an der Schnittstelle zwischen dem Substrat und der Komponente selbst (passiv oder als Chip) zu einem echten Problem werden können. Hierfür vertraut das Unternehmen auf das „Umspritzen“ zur Verstärkung der mechanischen Verbindung, um somit auch die Gefahr einer mechanischen Belastung der Lötstelle zu verhindern und die Zuverlässigkeit des Geräts zu steigern. Bei dem IMST-Prozess werden einfache Halbleiter-Chip-Komponenten, darunter Power-Transistoren, ICs und Dioden, mit einer Kupferfolie verknüpft, deren durch Ultraschall verschweißte Aluminiumdrähte die gewünschten Schaltkreise bilden. Diese Fügetechnik unterstützt Aluminiumdrähte mit einem Durchmesser von 30 bis 500 µm. Dabei wird die Größe je nach Stromfluss und Verwendungszweck (darunter Überbrückungs- oder Erdungskabel) bestimmt.

 

Abbildung 2 – IMST Fügeschema

 

Die IMS-Technologie erlaubt die Integration passiver Geräte und aktiver Bauelemente (blank oder verpackt) sowie von ASICs und Sensoren in einem einzelnen Modul (siehe Abbildung 3). Dank des Spritzprozesses sind verschiedene Anschlussarten möglich, darunter SIP vertikal, SIP gebogen und DIP.

 

Abbildung 3 – Integration der IMS Technologie

 

Der Markt

Laut aktuellen Marktforschungsinitiativen stellen Motor-Treiber-Invertoren nahezu 50 % des gesamten Markts für Invertoren dar und werden zudem mit Wachstumsprognosen von mehr als 50 % in den nächsten fünf Jahren beschrieben. Dabei verlangt der Markt Motor-Treiber mit stets höherer Leistung, mehr Effizienz, verbesserter Geräuschunterdrückung und höherer Zuverlässigkeit – allesamt Punkte, die den Bedarf an IMS-Technologie vorantreibt. Der Markt für Power-Module ist in Abbildung 4 dargestellt. Der Markt für Geräte mit Breitband-Gap auf der Grundlage von Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) stellt weiterhin lediglich einen kleinen Teil des Gesamtmarkts dar.

 

Abbildung 4 – Markt für Power-Module (Produkt-Technologien von ON Semiconductor grün hervorgehoben)

 

Fazit

Als führender Hersteller diskreter Power-Komponenten bietet ON Semiconductor ein hohes Maß an vertikaler Integration in der Herstellung seiner aktiven eingebetteten Komponenten der IPM-Reihe, darunter Power-MOSFETs, Power-IGBTs, Dioden und ICs bis hin zu vollständigen Modulen. Die für Anwendungen im industriellen Bereich, in Haushaltsgeräten sowie in der Motorsteuerung von Kraftfahrzeugen geeignete IPM-Technologie des Unternehmens ist kostenwirksam, zuverlässig und besonders effizient bei geringen Störgeräuschen. Die Technologie deckt zudem ein hohes Maß an Anforderungen des Energiemarktes im Bereich von 300 W bis 5-6 kW ab.

Die STK-Reihe an Motor-Treiber-ICs von ON Semiconductor ist ab sofort bei RS Components erhältlich