Temperaturbeständige Antriebskomponenten SiC-Leistungselektronik aus dem 3D-Drucker

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Höhere Temperaturbeständigkeit, längere Lebensdauer und bessere Kühlung: Das versprechen 3D-gedruckte Gehäuse für SiC-Leistungselektronik-Chips. Erste Prototypen hat ein Team der TU Chemnitz hergestellt. Die Chips werden während des Druckvorgangs an einer dafür vorgesehenen Stelle der Gehäuse positioniert.

Beim 3D-Druck der Gehäuse für die Leistungshalbleiter aus Siliziumkarbid (SiC) kommen keramische und metallische Pasten zum Einsatz. „Diese werden nach dem Druckvorgang, zusammen – und das ist das Besondere daran – mit dem eingedruckten Chip gesintert“, erzählt Prof. Dr. Ralf Werner, Inhaber der Professur Elektrische Energiewandlungssystem und Antriebe an der TU Chemnitz.

Die Keramik diene dabei als Isolationsmaterial und Kupfer werde zur Kontaktierung der Gate-, Drain- und Source-Flächen der Feldeffekttransistoren verwendet.

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„Besonders anspruchsvoll war die Kontaktierung der Gate-Fläche, die im Normalfall weniger als einen Millimeter Kantenlänge aufweist“, fügt Prof. Dr. Thomas Basler, Leiter der Professur Leistungselektronik, hinzu, dessen Team das Projekt mit ersten Funktionstests an Prototypen unterstützte.

Antriebskomponenten für Temperaturen über 300 °C

Nach den bereits 2017 an der TU Chemnitz gedruckten keramisch isolierten Spulen und einem gedruckten Motor (2018) stehen nun auch Antriebskomponenten zur Verfügung, die Temperaturen über 300 °C aushalten.

„Der Wunsch nach einer temperaturbeständigeren Leistungselektronik war naheliegend, denn die Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente werden traditionell möglichst nahe am Motor installiert und sollten daher über eine ebenso große Temperaturbeständigkeit verfügen“, erklärt Werner.

Ein Forschungsteam um Johannes Rudolph, der das 3D-Druckverfahren mitentwickelt hat, stellte in den vergangenen Monaten mehrere Prototypen der additiv paketierten Leistungshalbleiter auf Siliziumcarbid-Basis her. „Neben der hervorragenden Temperaturbeständigkeit bietet diese Technologie noch weitere Vorteile“, so Rudolph.

Zum einen versprechen sich die Wissenschaftler durch die beidseitige, flächige und lotfreie Kontaktierung der Chips eine längere Lebensdauer hinsichtlich der Anzahl der Lastwechselzyklen sowie eine bessere Kühlung und damit Ausnutzbarkeit der Chips.

Speziell angepasste Kühlgeometrien im Gehäuse

„Aufgrund der im Vergleich zu Kunststoffen höheren thermischen Leitfähigkeit der Keramik und der für den 3D-Druck üblichen Designfreiheit lassen sich leicht speziell angepasste Kühlgeometrien im Gehäuse und an dessen Oberfläche realisieren“, versichert Rudolph.

Zudem sei so zur Herstellung eines leistungselektronischen Bauelements nach der Produktion der Siliziumcarbid-Chips selbst nur ein einziger Arbeitsschritt notwendig.

Das Team um Johannes Rudolph will das Verfahren zur Marktreife weiterentwickeln. Potentielle Kooperationspartner sind willkommen daran mitzuwirken, beispielsweise im Rahmen gemeinsamer Forschungsprojekte.

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