Forschungsprojekte, Materialien, Herstellverfahren
Datum: 31/10/2014 - 14/05/2018
Projektkoordinator:
Fachchochschule Kiel
Projektpartner:
Projektinhalt:
Leistungsmodule sind Schlüsselbaugruppen bei Erzeugung, Transport und Anwendung elektrischer Energie in Aggregaten. Ihr Einsatz ist gekennzeichnet durch eine hohe thermische Belastung, sie müssen in der Lage sein, hohe Ströme zu führen. Sie werden innerhalb der elektrischen Antriebstechnik, insbesondere für Elektrofahrzeuge, Fahrzeugnebenantriebe, hoch belastete Industrieantriebe und bei der Energiekonversion verwendet. Sie gestatten die Konversion von Strom, Spannung, Frequenz sowie Phase und erzeugen dabei prinzipbedingt eine Verlustleistung. Diese Verlustleistung führt zu einer Erwärmung der Bauelemente und des Moduls selbst. Auf Grund der begrenzten thermischen Belastbarkeit der im Modul verwendeten Komponenten (z.B. Halbleiter und Kontaktierung) gilt es, die entstehende thermische Energie möglichst effektiv abzuführen.
Der klassische Modulaufbau besitzt einen Schaltungsträger mit keramischem Kern, dem sog. DCB-Substrat (direct copper bonded). Auf dem Substrat wird der Halbleiter montiert. Wegen der unvermeidlichen Verlustleistungen im Halbleiter besteht Kühlungsbedarf: Unter dem Substrat folgt in typischen Aufbauten der Industrie ein Wärmespreizer aus Kupfer. Diese Wärmespreizplatte wird wiederum auf einen Kühler montiert.
Für eine wirtschaftliche Nutzung der Baugruppe und Ausnutzung der eingespeisten Energie sind die bestmögliche Kühlung und der kleinstmögliche thermische Widerstand anzustreben. Könnte man dies erreichen, wären dies Betriebsbedingungen für die Halbleiter, die optimale Leistungsdichte bei minimaler Zerstörungswahrscheinlichkeit und bestem Wirkungsgrad gestatten.
Um dies zu erreichen, müsste zum Beispiel die Schichtstärke des keramischen Kerns verringert werden. Da Keramik jedoch sehr anfällig gegenüber mechanischen Verspannungen ist, kann die Schichtstärke des keramischen Kerns nicht unbegrenzt verringert werden. Zudem ist das Herstellungsverfahren dieser Schaltungsträger sehr aufwendig.
Es gilt in diesem Projekt den keramischen Kern durch eine Isolationsschicht zu ersetzen, die die Vorteile des DCB-Substrates erhält und die negativen Aspekte der Keramik ausmerzt. Ferner sollen neuartige Substratmöglichkeiten aufgezeigt und untersucht werden.
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