Moduli di potenza per energie rinnovabili e veicoli elettrici

Moduli di potenza per il mercato eolico                         
La quota di mercato dei moduli di potenza impiegati nel campo eolico attualmente è limitata al 5%. Comunque, con un incremento annuo del 25%, si sta dimostrando un settore caratterizzato da tassi di crescita elevati, che nel 2011, stimato dovrebbe arrivare a raggiungere i 250 milioni di dollari. I moduli di potenza per applicazioni eoliche richiedono un'alta affidabilità, una lunga vita media e un'adattabilità a condizioni atmosferiche davvero critica. Un Ipm (Integrated Power Module) è un modulo di potenza integrato che viene usato nelle applicazioni eoliche. Il modulo di potenza è montato su uno specifico dissipatore (a liquido o aria) e meccanicamente integrato con un gate driver che monta sensori di corrente, temperatura e tensione. Nella figura a destra è mostrato uno spaccato del modulo di potenza con il sensore di corrente integrato. Il vantaggio di questo modulo di potenza nelle applicazioni eoliche è dato dalla tecnologia dei contatti a pressione. Tale tecnologia consente di realizzare, in un unico passaggio, il contatto elettrico dei terminali di potenza e di controllo, e allo stesso tempo, un perfetto contatto termico modulo-dissipatore che ne amplifica l'affidabilità.

Moduli di potenza per il mercato dell'automobile
Il mercato automotive detiene attualmente per i moduli di potenza una quota di mercato di solo il 4%. Anche in questo caso è prevista una forte crescita con un incremento annuo del 19% . Le applicazioni automotive ad alta potenza hanno una lunga lista di requisiti che devono essere rispettati dal modulo di potenza. Dal punto di vista tecnico le esigenze maggiori sono rappresentate dall'alto numero di cicli termici e dall'elevata temperatura ambiente. Il modulo di potenza SKiM utilizza la tecnologia dei contatti a pressione. Inoltre, lo SKiM è il primo modulo costruito senza saldature. I diodi e gli Igbt sono infatti sinterizzati sul substrato ceramico (DBC).

Tecnologie su cui contare
Nel processo di sinterizzazione, uno strato di pasta di argento (sinter layer) viene interposto tra il chip e il substrato ceramico. Successivamente, applicando un alta pressione meccanica a una temperatura di 250°C, la pasta d'argento si trasforma in uno strato di materiale solido. Ogni substrato contiene al suo interno 12 Igbt e 6 diodi, tutti sinterizzati in un unico processo. Dopo la formazione, lo strato di argento tra il chip e il substrato ha una temperatura di fusione di 961°C, che è proprio la temperatura di fusione dell'argento. Questo significa che alle temperature di funzionamento di 175°C siamo ben al disotto della temperatura critica dell'argento, circa il 18% della temperatura di fusione. Quindi con la sinterizzazione gli stress meccanici dovuti ai cicli termici sono praticamente trascurabili. Con il classico processo di saldatura, dove la temperatura di lavoro raggiunge il 60% della temperatura di fusione del solder layer, la fatica termica per power e thermal cycling è un concetto delicato da tenere in considerazione.
Tutti i moduli di potenza hanno un sottile filo di alluminio che collega la parte superiore del chip al DBC, realizzato mediante un bondaggio a ultrasuoni. I differenti coefficienti termici di espansione del chip e del filo di alluminio causano, dopo un certo numero di cicli di potenza, il distaccamento del bonding dal chip, limitando la vita del modulo di potenza. Sebbene siano stati fatti dei progressi in termini di materiali, design e processi utilizzati, la fatica termica è a tutti gli effetti un fattore limitante per l'utilizzo dei moduli di potenza standard in applicazioni dove è richiesto basso costo, elevata densità di potenza e lunga vita di utilizzo. La soluzione è l'utilizzo di fogli flessibili metallici invece del classico bondaggio: questa tecnologia è chiamata SKiN  e si realizza tramite la saldatura del chip, con una tecnica “flip chip process”, su un sandwich composto da strati di alluminio, poliammide e rame. Lo strato di alluminio provvede a realizzare le piste per il carico e per il gate, lo strato di rame può essere progettato per montare il driver e i sensori elettronici. Vias attraverso lo strato di poliammide, utilizzando sottili fili bondati, realizzano il contatto fra lo strato metallico più alto, il gate e i sensori.
Una tecnica per superare le limitazioni date dai materiali usati per il package dei moduli è quella di non “impacchettare” i semiconduttori. Invece di produrre i moduli di potenza nella metodologia classica, il DBC può essere integrato meccanicamente fin dall'inizio nella struttura del sistema elettronico di potenza. Questa suddivisione dell'housing, dei terminali e del baseplate è chiamata “un-packaging”.
L'intero assemblaggio richiede solo pochi step. I substrati contengono i power Mosfet (saldati o preferibilmente sinterizzati) in configurazione dual pack, sensori di temperatura e condensatori di filtro. Questi substrati sono montati su un dissipatore tramite un frame plastico compatibile con le alte temperature in gioco. Successivamente vengono istallate le barre DC e AC con integrato il banco di condensatori. Un frame plastico, con preinstallate le molle per i contatti ausiliari e di pilotaggio, viene montato superiormente “attivando” il sistema a pressione che permette di ottenere in un solo passaggio sia la connessione elettrica che il contatto termico uniforme. In seguito vengono assemblati la gate unit, i sensori elettronici e il controllore. In conclusione un coperchio metallico o plastico viene posto sopra il sistema per proteggerlo dai fattori ambientali. L'inverter ottenuto mostra una invidiabile densità di potenza, resistendo a 20 g di vibrazioni e 100 g di shock, e mostra in assenza di saldature, una elevata resistenza ai cicli termici e di potenza. Quindi è possibile utilizzare a pieno i power Mosfet con temperature massime di giunzione di 200°C. Grazie alle sue dimensioni compatte, che includono i condensatori di filtro, tale sistema mostra emissioni elettromagnetiche estremamente ridotte.