Galvanische Kupferkontaktierung ersetzt das Drahtbonden

SiCmodul, LaSic, SiCeffizient, SiCnifikant oder SiCNV heißen einige aktuelle BMBF-Förderungen zur SiC-Leistungselektronik für Auto und Industrie. AVT und Embedded-Technik etwa sind Kernthemen am IZM.

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Im BMBF-Projekt SiCmodul wollen Forscherinnen und Forscher des Fraunhofer-Instituts für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) gemeinsam mit ihren Partnern den SiC-Leistungshalbleiter auf dem Weg zur industriellen Nutzung und zur Reichweitenerhöhung von Elektrofahrzeugen weiter optimieren. Wesentliche Fragen zu Aufbau- und Verbindungstechnik, Robustheit, Zuverlässigkeit, Kosten, Verfügbarkeit oder Hochvolt-Festigkeit sind generell noch nicht zufriedenstellend beantwortet. Dazu werden in dem Projekt SiCmodul vielseitige Rahmenbedingungen der Industrie von Anfang an mitanalysiert.

Verkürzte Strompfade und optimierte Leistungsführung

Zum Beispiel beruht das Modul, das derzeit am Fraunhofer IZM entwickelt wird, auf einem klassischen Leiterplattenaufbau, wie er in der Industrie bereits etabliert und leicht umsetzbar ist. Gleichzeitig fließen in dieses Modul die jüngsten Erkenntnisse der Forschung ein: Der Halbleiter wird beispielsweise nicht mit einer Drahtverbindung (Wire Bonding) kontaktiert, sondern direkt über einen galvanisch hergestellten Kupferkontakt in die Schaltung eingebettet, sodass die Kabellänge verkürzt und die Leistungsführung optimiert werden kann.

Im Lastenheft definiert sind u.a. alle elektrischen, thermischen und leistungstechnischen Anforderungen an Modul und Halbleiter. Die Spezifikationen, die das künftige Produkt erfüllen muss, haben die Forschenden in enger Zusammenarbeit mit Anwendern definiert und Details abgestimmt. Die Dimensionierung und elektrische Auslegung der leistungselektronischen Module erfolgte dabei in direkter Zusammenarbeit mit Automobilhersteller, Baugruppenzulieferer und Baugruppenfertiger. Dadurch ist es möglich, eine bestmögliche Bauraumnutzung im Antriebsstrang des Fahrzeugs zu realisieren.

Lars Böttcher ist Gruppenleiter am Fraunhofer IZM in Berlin und Teilprojektleiter für das SiC-Projekt. Er erklärt: „Wir gehen über die generelle Machbarkeit hinaus, denn in dem Projekt entwickeln wir mehr als nur einen Prototypen. Das Ziel ist daher, sowohl das Halbleitermaterial Siliziumkarbid als auch die Einbett-Technik auf den Weg zur Serienproduktion zu bringen.“

Das Projekt wird vom Bundesministerium für Bildung und Forschung im Rahmen des E-Mobility-Calls gefördert. Neben dem Fraunhofer IZM sind mit AixControl Gesellschaft für leistungselektronische Systemlösungen, Conti Temic microelectronic, der Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Robert Bosch, Schweizer Electronic und TLK-Thermo sechs weitere Partner in dem Projekt beteiligt.

Ihre Innovationen in der Leistungselektronik werden den Wirkungsgrad des Antriebssystems von Elektrofahrzeugen und damit auch ihre Reichweite weiter erhöhen, darüber sind sich die Beteiligten einig. SiC-Halbleiter mit hochtemperaturtauglichem Aufbau werden leistungselektronische Systeme verbessern, mit weiter erhöhten Schaltfrequenzen und Leistungsdichten. Auch die Störanfälligkeit kann reduziert werden. Voraussetzung hierfür ist aber eine robuste Aufbau- und Verbindungstechnik, wie sie in Projekt SiCmodul entwickelt werden soll.

Dazu steht im Zentrum des Forschungsvorhabens ein skalierbarer modularer Antriebsumrichter für Elektrofahrzeuge, der bei Temperaturen bis 200 °C betrieben werden kann. Dann nämlich kann der Umrichter unmittelbar am Motor platziert werden, was einen kompakteren und effizienteren Aufbau des Elektroantriebs ermöglicht. Zum Abschluss des Vorhabens werden die Potenziale des Konzepts anhand eines Elektroantriebs validiert und die notwendige Zuverlässigkeit mittels Simulationen nachgewiesen.

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