08.07.2020

Brücken zwischen Silizium und Galliumnitrid

Leistungselektronik mit kompaktem und effizienten Aufbau.

Energie­effiziente Leistungs­elektronik zur Energie­wandlung und -übertragung wird immer wichtiger, da zukunfts­weisende und nachhaltige Energie­konzepte, wie die Elektro­mobilität oder die Strom­versorgung durch erneuerbare Energien, auf sie angewiesen sind. Zu diesem Zweck hat das Fraunhofer-Institut für Angewandte Festkörperphysik IAF einen anwender­freundlichen hoch­integrierten Galliumnitrid-Spannungs­wandler in einem kompakten Gehäuse entwickelt, der extrem ressourcen­­schonend arbeitet und modular eingesetzt werden kann.

Abb.: Röntgen­aufnahme der Halbbrückens­chaltung und Schaltplan der...
Abb.: Röntgen­aufnahme der Halbbrückens­chaltung und Schaltplan der inte­grierten Gallium­nitrid-Schaltkreise. (Bild: Fh.-IAF)

Nicht nur die Halbleiter­materialien sind für diese Anwendungen entscheidend, sondern auch der Aufbau und das Design der Bauteile: je kompakter und effizienter der Aufbau ist, desto ressourcen­schonender arbeiten sie. Mit den diskreten Standard­komponenten, die den Markt der GaN-Leistungs­elektronik dominieren, ist ein kompakter Systemaufbau aber oft schwierig. Die kritischen Leiter­schleifen zwischen Transistoren und der Spannungs­versorgung müssen bisher aus diskreten Komponenten individuell als Schaltungen aufgebaut und verdrahtet werden. 

Als anwender­freundliche Alternative haben die Forscher ihre innovativen Gallium­nitrid-basierten integrierten Leistungs­schaltungen (GaN Power ICs) als Halbbrücke in einer Leiterplatte eingebettet, die gleichzeitig als Gehäuse bereits die kritischen Verdrahtungen samt Gate- und Zwischenkreis­kondensator bereitstellt. Das Resultat ist ein hochkompakter und effizienter Spannungs­wandler, der sich für alle 600-Volt Anwendungen eignet und einen zuver­lässigen modularen Systemaufbau ermöglicht, der Design- und Produktions­prozesse deutlich erleichtert.

Bereits im Rahmen des Forschungs­projekts GaNIAL ist es den Freiburger Forschern im letzten Jahr bereits gelungen, Strom- und Temperatur­sensorik, Leistungs­transistoren der 600 V-Klasse, intrinsische Freilauf­dioden und Gate-Treiber in einem einzigen GaN Power IC monolithisch zu integrieren. Das Halbleiter­material Gallium­nitrid wurde dabei auf preiswertes Silizium­substrat abgeschieden, wodurch sich die Chiptechnologie auch für einen kosten­günstigen Einsatz in Massen­anwendungen und in der Industrie eignet. 

Durch die hohe Integrations­dichte ermöglicht der GaN Power IC nicht nur eine höhere Schaltfrequenz und damit eine höhere Leistungs­dichte als vergleichbare Schaltungen, sondern auch eine erhöhte Zuver­lässigkeit und Kompaktheit durch die integrierte Sensorik. Mit den GaN Power ICs in einer Halbbrücken­schaltung haben die Forscher bereits DC-DC Wirkungsgrade über 98,8 Prozent bei 350 Volt erreicht, sowie eine hohe Schalt­frequenz von vierzig Megahertz im Dauerbetrieb bei 250 Volt und resonantem Betrieb nachgewiesen. „Um unserem Ziel eines optimalen Spannungs­wandlers näher zu kommen, mussten wir im nächsten Schritt die perfekte hochintegrierte Aufbau­technik für unsere GaN Power ICs finden“, erläutert Stefan Mönch. Zu diesem Zweck haben sie ihre ICs mit einer dicken Kupfer­galvanik auf beiden Seiten prozessiert, wodurch sie sich für die Einbettung in eine Leiter­platte eignen. 

Diese Anpassung der Metal­lisierung ermöglichte es, die Chips in der serientauglichen und zuverlässigen ET Microvia Embedding Techno­logie durch Würth Elektronik CBT aufzubauen. So konnten die Forscher zusammen mit den Projekt­partnern Bosch und der Universität Stuttgart ein nur zwölf Millimeter breites und 0,4 Millimeter flaches Leiterplatten­gehäuse entwerfen, das zwei monolithische GaN Power ICs als Halbbrücke integriert, und die kritischen Entkopplungs­kapazitäten für die Gatetreiber- und Zwischen­kreisspannung bereits auf dem Gehäuse bereitstellt. Durch die Embedding-Technologie kann auf Bonddrähte verzichtet werden, was gleichzeitig die parasitären Induk­tivitäten minimiert. Die kritischen Verbindungen zwischen GaN IC und den Kapa­zitäten sind damit bereits optimiert, und müssen nicht mehr aufwändig auf Anwenderseite entworfen werden. 

Fh.-IAF / JOL

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