Gehäusefertigung für Leistungsmodule - IGBT-, SiC-, MOSFET- und GaN-Module

Einführung in die Technologie der Leistungsmodule

Leistungsmodule sind wesentliche Bauteile der Leistungselektronik, die Halbleiterbauelemente mit Energie versorgen und gleichzeitig eine effiziente Kühlung sowie eine zuverlässige Verbindung zu externen Schaltungen bieten. Diese Module sind mechanisch und thermisch optimiert, um eine einfache Montage und einen stabilen Betrieb zu gewährleisten.

Häufige Bauarten umfassen isolierte Gate-Bipolartransistoren (IGBT), Siliziumkarbid (SiC), Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistoren (MOSFET) und Gallium-Nitrid (GaN) Module. Die Wahl hängt vom Leistungsbereich und der Betriebsfrequenz ab. Hersteller von Leistungsmodulen entwerfen diese Komponenten, um die spezifischen Bedürfnisse verschiedener Anwendungen zu erfüllen, von Unterhaltungselektronik bis hin zu erneuerbaren Energiesystemen.

Einige der weltweit bekanntesten OEM-Lieferanten für Leistungselektronik vertrauen auf die Layana Company für die Herstellung von Gehäusen für Leistungsmodule, auch bekannt als Modulgehäuse, Shells, Boxen, Abdeckungen, Container oder Einheiten für Leistungsmodule. Diese Gehäuse werden für IGBT-, SiC-, MOSFET- und GaN-Module verwendet und beinhalten eingespritzte Spritzgussteile, die während der Spritzgusstechnik eingebettet werden, sowie andere Komponenten wie Grundplatten.

Die Unterschiede zwischen IGBT-, SiC-, MOSFET- und GaN-Leistungsmodule

Hinweis: Diese Tabelle dient nur zur Orientierung, da sie einen vereinfachten Überblick über Standards und Typologien bietet. Layana stellt diese Informationen als allgemeine Richtlinie zur Verfügung. Eine umfassende technische Bewertung ist erforderlich, um zu bestimmen, welcher Typ von Leistungsmodule am besten den spezifischen Bedürfnissen Ihres Projekts entspricht.

Im Bereich der Leistungselektronik weisen SiC-, MOSFET-, GaN- und IGBT-Module jeweils spezifische Eigenschaften auf, die sie für verschiedene Anwendungsszenarien besonders geeignet machen, mit deutlichen Unterschieden in Leistung, Effizienz und thermischen Eigenschaften.

SiC-Module: Hochleistungs-Sportwagen mit hoher Hitzebeständigkeit

SiC (Siliziumkarbid)-Module sind vergleichbar mit Sportwagen, die hohe Geschwindigkeiten bei gleichzeitigem geringem Kraftstoffverbrauch beibehalten, mit sehr hoher Leitfähigkeit und thermischer Leistung. Sie weisen geringe Energieverluste auf, was sie ideal für eine effiziente Leistung unter stabilen Betriebsbedingungen macht. Zusätzlich besitzen SiC-Module eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit und können Temperaturen von bis zu 200°C oder sogar höher standhalten, wodurch sie zuverlässig in Hochtemperaturumgebungen eingesetzt werden können. Dies macht sie besonders geeignet für hochleistungsfähige und hocheffiziente Anwendungen wie Elektrofahrzeuge und industrielle Anlagen.

MOSFET-Module: Schnell beschleunigende Fahrzeuge mit begrenzter Temperaturbeständigkeit

MOSFET (Metalloxid-Halbleiter-Feldeffekttransistor)-Module lassen sich mit Fahrzeugen vergleichen, die sehr schnell beschleunigen und in Szenarien hervorragend abschneiden, die schnelle Start-Stopp-Operationen erfordern. MOSFETs zeichnen sich durch niedrige Schaltverluste und hohe Effizienz, was sie besonders geeignet für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Frequenz macht, wie DC-DC-Wandler und Energie-Management-Module. Allerdings ist ihre Wärmeleitfähigkeit geringer und sie können nur Temperaturen bis zu etwa 175°C vertragen, was sie in Hochtemperaturanwendungen weniger stabil macht als SiC oder GaN. Die Technologie hinter MOSFETs ist weitgehend ausgereift und ihre vergleichsweise niedrigen Kosten machen sie zur idealen Wahl für viele mittel- bis leistungsstarke und Frequenzbasierte Anwendungen.

GaN-Module: Agile Mini-Rennwagen für Hochfrequenzanwendungen und platzbeschränkte Umgebungen

GaN (Gallium-Nitrid)-Module sind wie Hochleistungsrennwagen, die schnell reagieren und sehr agil sind. Sie haben sehr geringe Schaltverluste und außergewöhnlich hohe Schaltgeschwindigkeiten, was sie in Hochfrequenz-Schaltungen effektiv macht. Daher sind GaN-Module besonders gut geeignet für Hochfrequenzanwendungen wie drahtloses Laden, hochfrequente Stromversorgungen und RF-Verstärker. Darüber hinaus bieten GaN-Module eine hohe Effizienz und hervorragende thermische Eigenschaften, die es ihnen ermöglichen, bei Temperaturen von bis zu 200°C zu arbeiten. Sie eignen sich auch gut für die Miniaturisierung von Leistungsmodule, da sie in platzbeschränkten Geräten wie Unterhaltungselektronik untergebracht werden können. Diese Eigenschaften machen GaN-Module in Anwendungen, die hohe Leistung und hohe Leistungsdichte erfordern, sehr wettbewerbsfähig.

IGBT-Module: Stabile und zuverlässige Langstrecken-Lkw mit moderater Effizienz und Wärmeableitung

IGBT (Isolierte Gate-Bipolartransistor)-Module können mit Langstrecken-Lkw verglichen werden, die eine stabile Leistung und gute Effizienz bieten. Sie haben höhere Schaltverluste, sind jedoch sehr effektiv während der kontinuierlichen Großstromführung (im eingeschalteten Zustand), was sie für Anwendungen geeignet macht, die hohe Ströme mit niedriger Schaltfrequenz beinhalten, wie industrielle Antriebe und leistungsstarke Stromversorgungen. Die Effizienz von IGBT-Modulen ist mäßig und ihre thermische Leistung ist durchschnittlich, aber sie spielen dennoch eine unverzichtbare Rolle in großen, leistungsintensiven Anwendungen, bei denen ein stabiler Betrieb entscheidend ist.

Zusammenfassung

1. SiC-Module: Sehr hohe Effizienz, ausgezeichnete Hitzebeständigkeit (über 200°C), ideal für hochleistungsintensive Anwendungen.
2. MOSFET-Module: Hohe Effizienz, schnelle Schaltung, geeignet für Anwendungen mit niedriger bis mittlerer Frequenz, jedoch begrenzte Temperaturbeständigkeit (bis zu 175°C).
3. GaN-Module: Hohe Effizienz, hervorragende Hochfrequenz-Schaltleistung, hitzebeständig (bis zu 200°C), ideal für Miniaturisierung und raumbeschränkte Anwendungen.
4. IGBT-Module: Mäßige Effizienz und Wärmeleitfähigkeit, geeignet für stabile Großstromanwendungen mit niedriger Schaltfrequenz.

Anwendungen von Leistungsmodulen

Am Beispiel des IGBT-Moduls sind die relevanten Anwendungen wie folgt:

1. Halbleiterindustrie: Leistungsmodule werden häufig zur Herstellung und Nutzung von leistungselektronischen Komponenten eingesetzt. Dabei werden Schlüsselgeräte wie MOSFETs und IGBTs integriert, um Effizienz und Miniaturisierung voranzutreiben. Sie bieten präzise Energiesteuerung in Fertigungsanlagen, um die Produktionsstabilität zu gewährleisten und den Energieverbrauch zu optimieren, Gleichzeitig tragen sie zur Kostenreduktion bei und helfen, Herausforderungen bei der Wärmeableitung zu bewältigen. Dies geschieht durch die Reduzierung der Wärmeentwicklung und die Verlängerung der Lebensdauer der Geräte.
   
   
2. Elektrifizierung des Verkehrs: Im Verkehrssektor spielen Leistungsmodule eine entscheidende Rolle für Elektrofahrzeuge (EVs), Hybridfahrzeuge und andere neue umweltfreundliche Transportlösungen. Sie optimieren die Leistung, verlängern die Reichweite und verbessern die Ladeeffizienz. Tatsächlich stellt die Entwicklung von Leistungsmodulen einen großen Beitrag zum Erfolg neuer Mobilitätslösungen dar und ist ein wesentlicher Treiber für eine schnellere und breitere Einführung neuer umweltfreundlicher Produkttypen und Technologien. Zum Beispiel sind sie ein wesentlicher Bestandteil von Lade- und Schnellladestationen. Durch die Sicherstellung einer effizienten Energieumwandlung und Leistungssteuerung tragen Leistungsmodule dazu bei, Ladezeiten zu verkürzen, die allgemeine Energienutzung zu verbessern und somit die Elektrifizierung der weltweiten Fahrzeugflotte voranzutreiben.

3. Robotik und Automatisierung:Leistungsmodule sind in der Robotik unverzichtbar, um autonome Roboterarme, künstlich lernende Roboter und andere industrielle Automatisierungssysteme zu betreiben. Sie gewährleisten einen effizienten und zuverlässigen Betrieb, der entscheidend für die präzise Steuerung und hohe Produktivität ist.
   
   
4. Erneuerbare Energien und Nachhaltigkeit: In erneuerbaren Energiesystemen wie Solarpaneelen, Photovoltaik-Wechselrichtern, Windturbinen sind Leistungsmodule entscheidend für die effiziente Umwandlung, Übertragung und Verteilung sauberer Energie. Sie unterstützen den globalen Übergang zu einer nachhaltigeren Zukunft, indem sie die Zuverlässigkeit und Effizienz erneuerbarer Energiequellen steigern.
   
   
5. HVAC-Systeme: In HVAC-Systemen spielen Leistungsmodule eine zentrale Rolle bei der Steuerung und Optimierung von Heizungs-, Lüftungs- und Klimaanlagen. Durch den effizienten Einsatz dieser Module wird der Energieverbrauch gesenkt, wodurch die Systeme nicht nur leistungsfähiger, sondern auch energieeffizienter arbeiten.

Besonders das IGBT-Modul ist eine entscheidende Komponente in modernen leistungselektronischen Systemen, das zur effizienten Handhabung hoher Ströme und Spannungen entwickelt wurde. Das Verständnis darüber, was ein Leistungsmodul ist und welche Schlüsselkomponenten es umfasst, ist essentiell für eine effektive Integration von Leistungsmodulen und die Entwicklung umfassender Lösungen für diese Module.

Die Schlüsselkomponenten eines Leistungsmoduls

Am Beispiel des IGBT-Moduls ist die Struktur des Leistungsmoduls wie folgt:

1. Kabel: Sorgt für effiziente elektrische Verbindungen und die Signalübertragung zwischen internen Komponenten.
2. 2. Grundplatte (auch Kühlplatte oder Basisplatte genannt): Dient als Kühlkörper zur Ableitung der von den internen Komponenten erzeugten Wärme.
3. Chip (z. B. Diode): Dient als Gleichrichter und schützt den IGBT vor Spannungsspitzen.
4. Chip (IGBT): Die Kernkomponente, verantwortlich für die Leistungsschaltung und die Steuerung der elektrischen Energie.
5. Abdeckung: Bietet einen äußeren Schutz und schirmt die internen Komponenten ab.
6. DBC (Direct Bonded Copper):Sorgt für elektrische Isolierung und Wärmeleitfähigkeit.
7. Gehäuse: Schützt die internen Komponenten vor externen Einflüssen wie Temperatur, Feuchtigkeit und physischen Schäden.
8. Lötverbindung (DBC-Verbindung) : Sichert die strukturelle Integrität und die elektrische Verbindung zwischen dem DBC und anderen Komponenten.
9. 9. Klemmen (für Leistung und Steuerung):

• • Leistungsklemmen: Dienen zur Verbindung mit der externen Stromversorgung.
  • Steuerklemmen: Erhalten Steuerungssignale zur Regelung des Moduls.

Layanas Fertigungskapazitäten für Leistungsmodule

 

I. Gehäuse des Leistungsmodule

Das Gehäuse des Leistungsmoduls besteht hauptsächlich aus Kunststoff- und Metallkomponenten, bietet mechanische Unterstützung und erleichtert die Integration von Leistungsmodule in größere Systeme.

• Das Spritzgussverfahren wird verwendet,um das Gehäuse des Leistungsmoduls mit integrierten Metallklemmen zu entwickeln und herzustellen.
• • Die Abdeckung des Leistungsmoduls wird hauptsächlich durch Kunststoffspritzguss hergestellt und schützt die internen Komponenten des Moduls.
• • Zusätzliche unterstützende Materialien.

II. Grundplatte oder Kühlplatte

• Erfordert ein präzises Stanzblechverfahren, um Eigenschaften wie Verzug und Vorsprünge zu kontrollieren und eine effiziente Wärmeableitung sicherzustellen.

III. Klemmen

• Leistungsklemmen werden durch die Herstellung kundenspezifischer Werkzeuge gefertigt.
• Steuerklemmen werden ebenfalls durch die Herstellung kundenspezifischer Werkzeuge produziert.

Steuerklemme

Leistungsklemme

Unsere Fähigkeiten im Einfügespritzguss und Kunststoffspritzguss

      

 

Art/Typ	Vertikale Einspritzmaschinen	Horizontale Einspritzmaschinen
Tonnagen-Bereich	Von 35T bis 250T	Von 60T bis 200T
Maximale Produktgröße	ZOLL: 8,5 x 11 x 6 MILLIMETER: 216 x 279 x 150
Maximales Produktgewicht	0,1g~500g
Präzision	Form: ± 0,005 mm Produkt: ± 0,03~0,05 mm

 

Durch die Kombination unserer Expertise in Unterbaugruppen, Einfügespritzguss und Metallstanzverfahren bietet Layana umfassende Lösungen für Leistungsmodule an, die den Anforderungen weltweit führender Unternehmen in der Leistungselektronikbranche gerecht werden. Besonders durch die global wachsenden Nachfrage nach neuer Energie, Elektrofahrzeugen und intelligenten Geräten erlebt der Markt für Leistungsmodule beispiellose Chancen. Layana wird an der Spitze technologischer Entwicklungen bleiben und verstärkt Ressourcen in die Forschung und Entwicklung effizienter, zuverlässiger und energiesparender Produkte investieren, um den sich wandelnden Bedürfnissen unserer Kunden gerecht zu werden.