Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS
Halbleiter auf SiC-Basis werden derzeit in Form von Dioden und Transistoren eingesetzt. Bei der herkömmlichen Montage- und Anschlusstechnik wird der Halbleiter auf ein metallisiertes Keramiksubstrat gelötet oder gesintert, wobei die elektrische Kontaktierung auf der Oberseite mittels Drahtbondtechnik erfolgt. Zur Verkapselung kann der Halbleiter mit einem Kunststoff umspritzt werden. Unabhängig von der Art des Halbleiters kann die derzeitige Aufbau- und Verbindungstechnik (Gehäuse, Vergussmasse und Anschlusskontakte) nur kurzzeitig bis zu Temperaturen von 200 °C und langfristig bis zu 150 °C betrieben werden. Hinzu kommt, dass die derzeit verwendeten Gehäusematerialien eine schlechte Korrosionsbeständigkeit und eine unangepasste thermische Längenausdehnung aufweisen.
Um diese Probleme zu lösen, arbeitet das Fraunhofer IKTS an hochtemperaturstabilen Baugruppen. Dazu werden die Halbleiterbauelemente unter keramikspezifischen Brenntemperaturen in ein mehrschichtiges Keramikgehäuse eingebettet, gesintert und gleichzeitig elektrisch und thermisch kontaktiert. Die Integration in keramische bzw. keramikkompatible Materialien stellt dabei eine hochtemperaturstabile Aufbau- und Verbindungstechnologie dar, die es erlaubt, die Potenziale der verwendeten Wide-Bandgap-Halbleitermaterialien (schaltbare Ströme/Stromdichten, maximale Betriebstemperaturen, Bauelementminiaturisierung) optimal auszureizen.
Die Integration des SiC-Halbleiterbauelements erfolgt in einen vormetallisierten und vorstrukturierten Grünfolienstapel unter Verwendung von keramischen Grünfolien. Durch eine druckunterstützte Sinterung der Keramik wird ein monolithisches keramisches Pre-Package mit eingebettetem SiC-Bauelement und keramikintegrierter elektrischer Umverdrahtung erzeugt.
Für die Einbettung der Halbleiterbauelemente stehen in Abhängigkeit der Temperaturstabilität der Halbleiter verschiedene keramische Materialien zur Verfügung. Die Einbettung in eine LTCC-basierte dielektrische Basiskeramik (Low Temperature Cofired Ceramics) erfolgt aktuell bei minimalen Sintertemperaturen von 750 °C mit einer Haltedauer von 2 h. Die hohe Temperaturbelastung der Kontakt-Metallisierung der Halbleiterbauelemente während des Sinterprozesses kann jedoch zur Degradation bzw. zur Limitation der elektrischen Performanz der Halbleiterbauelemente führen. Die Weiterentwicklung des Herstellungsprozesses unter Nutzung der am Fraunhofer IKTS entwickelten dielektrischen ULTCC-Basismaterialien (Ultra Low Temperature Cofired Ceramics) erlauben eine weitere Absenkung der Sintertemperatur auf 480 °C bei einer Haltedauer von 30 min.
