Bayerische Forschungsstiftung untersucht Ausfallmechanismen bei Power-Modulen

Zusammen mit Semikron und Fraunhofer IISB Bayerische Forschungsstiftung untersucht Ausfallmechanismen bei Power-Modulen

07.07.2011Redakteur: Gerd Kucera

Ziel des von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projekts ist u.a. die Erhöhung der Betriebszuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme bei reduziertem Fertigungsaufwand.

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Fraunhofer-Inst. für Integrierte Systeme und Bauelemente (IISB)

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Dr. Sven Berberich, Semikron: „Passive Bauelemente in Leistungshybriden verlangen bisweilen einen besonderem Prozessaufwand.“ (Bild: Semikron)

In dem aktuellen Forschungsvorhaben untersuchen Bauelemententwickler der Nürnberger SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. KG und Wissenschaftler vom Fraunhofer IISB in Erlangen gemeinsam die Ausfallmechanismen und die Zuverlässigkeit in Leistungsmodule integrierter passiver Siliziumbauelemente. Diese Bauelemente sind beispielsweise ein wichtiger Baustein alltagstauglicher Elektronikkomponenten bei der flächendeckenden Einführung der Elektromobilität.

Durch die hohen Energien, die in Leistungsmodulen für beispielsweise Elektrofahrzeugen auf kleinstem Raum übertragen werden, führt das Fehlverhalten eines einzelnen Bauelements im Allgemeinen bereits zur Zerstörung des gesamten Moduls. Während die aktiven Leistungsschalter auf Siliziumbasis in der Regel bereits eine hohe Zuverlässigkeit erreichen, besteht bei den für die äußere Beschaltung benötigten passiven Bauelementen noch deutlicher Verbesserungsbedarf.

Bisher werden z.B. Kondensatoren und Widerstände als einzelne diskrete Bauelemente in den Modulen verbaut. Die Forscher fassen jetzt die passiven Komponenten in einem Chip zusammen und montieren diesen (wie den aktiven Teil) direkt auf das Keramiksubstrat der Module. Durch den Einsatz solcher monolithisch in Silizium integrierter passiver Bauelemente können robustere Leistungsmodule aufgebaut sowie deren Lebensdauer verlängert werden.

Bei dem Forschungsvorhaben steht entsprechend die Reduzierung der Ausfallraten von passiven Bauelementen in Leistungsmodulen im Vordergrund. Dadurch werden Störungen beim Betrieb eines Gesamtsystems, wie etwa bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, Aufzügen oder Flurförderfahrzeugen, verringert.

Nutzen der gemeinsamen Forschungsarbeiten

Von dieser Technologie profitieren zukünftig auch Anwendungen zur elektrischen Energieübertragung in Anlagen und Netzen, in Fertigungsmaschinen oder in Haushaltsgeräten. Darüber hinaus lassen sich Produktionsvorgänge bei der Herstellung von Leistungsmodulen, und damit vieler leistungselektronischer Baugruppen, optimieren und die Herstellungskosten nachhaltig senken. So entfallen beispielsweise Lötvorgänge, da aktive und passive integrierte Bauelemente mit den gleichen Fertigungsverfahren kontaktiert werden können.

Bewertung von Fehlerursachen und Lebensdauervorhersage

Neben der Herstellung der integrierten passiven Bauelemente bringt das Fraunhofer IISB seine langjährige Erfahrung bei der Integration von Bauelementen in Halbleiter, der Bewertung von Fehlerursachen und der Vorhersage von Lebensdauern ein, um die Ausfallmechanismen mit geeigneten Messverfahren zu ermitteln, genau zu beschreiben und darauf aufbauend vorherzusagen. Die Firma SEMIKRON wird die integrierten passiven Siliciumbauelemente sowohl auf Modulebene als auch im Rahmen eines Feldversuchs in ihren Produkten evaluieren.

Kick-off-Meeting: (v.l.n.r.): Dr. Arendt Wintrich (Semikron), Joachim vom Dorp (Fraunhofer IISB) , Holger Schwarzmann (IISB), Dr. Sven Berberich (Semikron), Igor Kasko (IISB), Michael Groß (IISB), Anton Bauer (IISB). (Bild: Fraunhofer IISB)

„Die im Rahmen dieses Forschungs- und Entwicklungsvorhabens zu entwickelnden zuverlässigen passiven Siliziumbauelemente stellen einen wichtigen Beitrag zur Erhöhung der Gesamtzuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme dar“, konstatiert Projektleiter Dr. Sven Berberich (Semikron), „gerade die passiven Bauelemente mussten bislang mit besonderem Prozessaufwand in Leistungshybride integriert werden, was stets eine Herausforderung hinsichtlich Qualität und Systemzuverlässigkeit darstellt. Diese neuartigen integrierten passiven Siliziumchips sind vollständig kompatibel, sowohl im Hinblick auf neue Aufbau- und Verbindungstechnologien wie Sintern als auch für neue Applikationsherausforderungen, etwa Temperaturen von 200 °C.“

Zusammenarbeit von Forschung und Industrie

In dem Projekt „Zuverlässige Systeme durch passive Siliziumbauelemente“ wird auch der Bedeutung der stetigen Miniaturisierung elektronischer Komponenten Rechnung getragen. Die Anwendung von Methoden und Verfahren der Mikroelektronik auf konventionelle passive Bauelemente ermöglicht eine Miniaturisierung auf Systemebene und erschließt weitere Vorteile und Möglichkeiten: Zum Beispiel ein fundiertes Verständnis der Zuverlässigkeitsmechanismen, die Verfügbarkeit etablierter und reproduzierbarer Herstellungsprozesse, die monolithische Integration mit Leistungsschaltern auf einem Chip oder die dreidimensionale Bauelementintegration.

Wirkung auf die europäische Wettbewerbsposition

Das mit rund 380.000 € von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderte Vorhaben hat eine Laufzeit von drei Jahren; offizieller Projektstart war der 1. Mai 2011. Durch die regionale Zusammenarbeit von Forschung und Industrie entstehen auf dem Gebiet der Systemintegration mikroelektronischer Bauelemente neuartige Leistungsmodule. Derartige Systeme werden eine Basis für die gesamte Wertschöpfungskette im Bereich der Elektromobilität und Energieeffizienz bilden und sind ein Beitrag, die europäische Wettbewerbsposition zu erhalten und weiter auszubauen.

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