Automobilelektronik aus einem Guss

26.7.2011 Zuverlässige Systeme durch passive Siliciumbauelemente - wichtige Bauelemente für Elektromobilität

Höhere Betriebszuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme bei verringertem Fertigungsaufwand in der Automobilelektronik – das ist das Ziel eines neuen, von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projekts. In dem Forschungsvorhaben untersuchen Bauelemententwickler der Nürnberger Firma SEMIKRON Elektronik GmbH & Co. KG und Wissenschaftler vom Fraunhofer IISB in Erlangen gemeinsam die Ausfallmechanismen und die Zuverlässigkeit integrierter passiver Siliciumbauelemente. Diese Bauelemente sind beispielsweise ein wichtiger Baustein alltagstauglicher Elektronikkomponenten bei der flächendeckenden Einführung der Elektromobilität.
Durch die hohen Energien, die in Leistungsmodulen – wie etwa für Elektrofahrzeuge – auf kleinstem Raum übertragen werden, führt das Fehlverhalten eines einzelnen Bauelements im Allgemeinen bereits zur Zerstörung des gesamten Moduls. Während die aktiven Leistungsschalter auf Siliciumbasis 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 Silicium 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 zum Beispiel bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, Aufzügen oder Flurförderfahrzeugen, verringert.

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.

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.

In dem Projekt ‘Zuverlässige Systeme durch passive Siliciumbauelemente’ 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.