Leistungsstarker Motor für die Energiewende: Aufbruch in eine grüne Zukunft mit dem Packaging von effizienten elektronischen Power-Modulen

Klimafreundlich, nachhaltig und ressourcenschonend – um für nachfolgende Generationen eine lebenswerte Zukunft zu gestalten, muss das Tempo der Energiewende gesteigert werden. Ein wesentlicher Baustein auf dem Weg zu einer grünen Zukunft mit reduzierten CO₂-Emissionen ist neben dem Ausbau erneuerbarer Energien die Elektromobilität. Geprägt von einer elektrifizierten Automobillandschaft gestaltet sie die klimaverträgliche Verkehrs- und Energiewende erfolgreich mit. Schlüssel moderner Antriebssysteme heutiger Elektrofahrzeuge sind hochkomplexe elektronische Leistungsmodule, die das Fraunhofer ENAS dank seiner langjährigen Expertise im Bereich innovativer Packaging- und Kontaktierungstechnologien in Chemnitz mitentwickelt. Gemeinsam mit seinen Partnern legt das Institut die Grundlage, präzise Packaging-Technologien für Power-Module deutlich effizienter zu gestalten und die Geschwindigkeit für deren Markteinführung in den Bereichen Elektromobilität und regenerativer Energien zu erhöhen.

Die Energiewende ist eines der zentralen Zukunftsthemen unserer heutigen Zeit und steht als Synonym für den Ausbau erneuerbarer Energien, für eine nachhaltige Energieversorgung ohne fossile Brennstoffe sowie für eine klimaverträgliche und grüne Zukunft. Ein wesentlicher Treiber auf diesem Weg ist die Elektromobilität. Dank kontinuierlicher technologischer Fortschritte kann sie den klimaschonenden Straßenverkehr und die Energiewende entscheidend voranbringen.

Neben dem autonomen Fahren, der Digitalisierung und Konnektivität von Fahrzeugen sowie neuen Mobilitätsangeboten ist die Elektrifizierung des Antriebsstrangs von Fahrzeugen mit einer Abkehr vom Verbrennungsmotor einer der vier Megatrends im Bereich Mobilität, der zu grundlegenden Veränderungen in der Fahrzeugindustrie beitragen wird. Kombinierte Antriebslösungen, die aus umweltverträglichen Elektroantrieben und Energierückgewinnungssystemen bestehen, sind dabei ideal geeignet, um eine klimafreundliche und Co₂-freie Mobilität zu ermöglichen. So erlauben sie zum einen eine Schadstoffreduktion und zum anderen nahezu geräuschloses Fahren, was die Lärmbelastungen im Straßenverkehr deutlich reduziert und so zu mehr Lebensqualität in den Städten beiträgt.

 

Anspruchsvoll: Hohe Anforderungen an Qualität und Performance leistungselektronischer Bauelemente

Herzstück elektrischer Antriebslösungen von Elektrofahrzeugen sind effiziente Hochleistungsmodule. Sie verbinden mithilfe innovativer Aufbau- und Verbindungstechnik leistungselektronische Bauelemente über mechanische, elektrische und thermische Kontakte und vereinen diese auf anwendungsspezifischen Trägern und Substraten.

Ihre besondere Stärke zeigt sich in ihrer Robustheit, Temperaturbeständigkeit und Stabilität: »Die auf diese Weise entstehenden Leistungsmodule sind äußerst zuverlässig, langlebig und unempfindlich, so dass sie auch rauen Umgebungen und Umwelteinflüssen sowie hohen Energie- und Wärmedichten standhalten können«, erklärt Christian Hofmann, Wissenschaftler in der Abteilung »Systems Packaging« am Fraunhofer ENAS, der die Power-Pakete in Chemnitz mitentwickelt. So finden die Module nicht nur Anwendung in elektrischen Antrieben, sondern auch in Photovoltaik- und Windenergieanlagen sowie in der Energiespeicherung, -verteilung und -rückgewinnung.

Eine zentrale Herausforderung solcher leistungsintensiven Anwendungen ist die Wärmeentwicklung. Um eine Beschädigung oder einen Ausfall der Elektronik durch Überhitzung zu verhindern, muss die entstehende Verlustwärme schnell und zuverlässig abgeführt werden. Damit verbunden sind hohe Anforderungen an das Systemdesign der Leistungsmodule, die Materialauswahl sowie die Packaging-Technologien, die optimal aufeinander abgestimmt werden und effizient zusammenwirken müssen. Dadurch wird gewährleistet, dass die entstehende Wärme durch Verbindungsschichten, Substrate und Grundplatten abgeleitet wird, bevor diese mithilfe eines Wärmetauschers oder Kühlers an die Umgebung abgegeben wird.

 

Kraftvoll: Packaging-Technologien im Fokus aktueller Entwicklungen

Für die Herstellung leistungselektronischer Komponenten und Baugruppen sind anwendungsbereite, innovative und kostengünstige Fertigungs- und Verbindungstechnologien essentiell. Das Packaging von Power-Modulen erfolgt mithilfe präziser Technologien und Prozesse, wie beispielsweise dem Löten, Drahtbonden und Verkapseln der Systeme zu robusten Lösungen. Um die steigenden Anforderungen an Leistungsdichte, Performance und Zuverlässigkeit bei der Produktion zu berücksichtigen, werden die mechanischen, thermischen und elektrischen Anbindungen der leistungselektronischen Bauelemente an das Substrat (Die-Attach) sowie die Interfaces zwischen Substraten, Grundplatten und Kühlkörpern (Large-Area-Attach) optimal aufeinander abgestimmt.

Das am Fraunhofer ENAS zusammen mit der Technischen Universität Chemnitz entwickelte induktive Löten und Partikelsintern stellt einen hochinnovativen Ansatz dar, um kontinuierlich steigenden Herausforderungen zukünftig zu begegnen. Die beiden Verfahren ermöglichen eine schnelle, exakte und energieeffiziente Wärmeeinkopplung in die primäre Fügezone und reduzieren damit die thermische Belastung der gesamten Baugruppe. Zusätzlich bieten sie den Vorteil, Prozess- und Taktzeiten bei der Herstellung von Leistungsbauelementen signifikant zu reduzieren, was die Produktionsprozesse und -geschwindigkeiten optimiert.

Insbesondere bei batterieelektrischen Antrieben im Bereich der Elektromobilität – getrieben vom Wunsch nach größerer Reichweite und kürzeren Ladezeiten – ist eine Reduzierung der Systemverluste ein weiterer wichtiger Schwerpunkt aktueller Forschungsbemühungen. Ein vielversprechender Lösungsansatz ist der Wechsel des Halbleitermaterials der leistungselektronischen Schaltelemente von Silizium auf Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Diese Neuerung bietet das Potential, Leit- und Schaltverluste im Inverter signifikant zu verringern, Schaltgeschwindigkeiten zu erhöhen und die Temperaturbeständigkeit der Bauelemente zu verbessern.

 

Gemeinsam stark: Ihr Partner für innovative Packaging-Technologien sowie Charakterisierungs- und Zuverlässigkeitsbewertungen von Leistungsbauelementen

Als etablierter Forschungs- und Entwicklungspartner verfügt das Fraunhofer ENAS in Chemnitz seit vielen Jahren über umfassende Kernkompetenzen im Bereich innovativer Packaging-Technologien sowie Charakterisierungs- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen, die für die Entwicklung hocheffizienter Leistungsmodule essentiell sind. Dies zeigt sich in einem vielfältigen Angebot an Technologien sowie umfangreicher Fachexpertise:

1. Packaging-Prozesse und verbundene Technologien:

• Drucktechnologien zur Abscheidung von Fügeschichten (zum Beispiel Schablonen- und Siebdruck, Aerosol-Jetting, Dispensing)
• Hochpräzise Bestückung/Chipplatzierung
• Fügetechnologien für den Single- und Multi-Die-Attach sowie den Large-Area-Attach zur Realisierung komplexer und anwendungsbereiter Leistungsmodule auf Basis konvektiver, konduktiver und induktiver Erwärmungstechnologien
  • Lötprozesse (zum Beispiel Zinn-Silber)
  • Transient-Liquid-Phase Soldering mittels Zweistoffsystemen (zum Beispiel Kupfer-Zinn)
  • Silber- und Kupferpartikelsintern
  • Reaktive Materialsysteme (integrierte Schichten und Partikelpasten)
• Innovative Kontaktierungstechnologien
• Wafer-Level-Bonden zur Erzeugung von Basissubstraten/Halbzeugen (zum Beispiel kostenreduzierte Siliziumkarbid-Wafer) für die Herstellung von Leistungsbauelementen
• Modellierung und Finite-Elemente-Analysen (FEA) zur Prozessoptimierung und Auslegung von Modul- und Anlagenkomponenten (elektromagnetisch, thermisch oder fluidisch) insbesondere für den induktiven Energieeintrag

2. Qualitäts- und Zuverlässigkeitsbetrachtungen:

• Auf Basis experimenteller Untersuchungen:
  • Fehleranalyse durch zerstörende sowie zerstörungsfreie Untersuchungsmethoden, hochauflösende Analysetechniken, mikromechanische, elektrische und thermische Charakterisierungsverfahren
  • Lebensdauerversuche mit angeschlossener Fehleranalyse
  • Ableitung von lastbasierten Lebensdauermodellen
• Auf Basis modellgestützer Methoden durch Finite-Elemente-Analysen (elektrisch-thermisch-mechanisch gekoppelter Felder)
  • Zur Auslegung zuverlässiger Aufbauten (Design for Reliability)
  • Ableitung von beanspruchungsbasierten Lebensdauermodellen (materialspezifisch)
  • Bereitstellung von kompakten Modellen zur Zustandsüberwachung

 

Herausforderungen meistern: Kooperationen in Forschung und Industrie

Im Rahmen seiner Forschungsaktivitäten arbeitet das Fraunhofer ENAS gemeinsam mit seinen Kooperationspartnern daran, aktuelle und zukünftige Anforderungen an die Aufbau- und Verbindungstechnik für leistungsfähige Power-Module zu identifizieren und in noch effizientere Lösungen umzusetzen.

Wenn Sie gemeinsam mit uns Strategien für die Bewältigung Ihrer Herausforderungen entwickeln wollen, spezielle Anforderungen im Bereich des Packaging oder Fragen zu einzelnen Prozessen haben, dann zögern Sie nicht, uns zu kontaktieren. Wir freuen uns darauf, zusammen mit Ihnen eine nachhaltigere und grünere Zukunft zu gestalten und das Tempo der Energiewende zu beschleunigen.