Third party funded individual grant
Start date : 03.04.2026
End date : 02.04.2028
Leistungselektronik kommt heutzutage in einem breiten Feld
zum Einsatz. In modernen Elektrofahrzeugen sind SiC-Module eine
Schlüsselkomponente, insbesondere in den Wechselrichtern, die den Gleichstrom
der Batterie in Wechselstrom für den Antrieb umwandeln. Auch in
Photovoltaik-Wechselrichtern oder in der Leistungselektronik von
Windkraftanlagen spielen SiC-Komponenten eine zentrale Rolle, wobei höhere
Schaltfrequenzen und geringere Verluste eine effizientere Umwandlung und
Einspeisung von erneuerbarer Energie ins Netz ermöglicht. Die extremen
thermischen und mechanischen Anforderungen in diesen Bereichen erfordern eine
„Packaging-Technologie“, die sowohl leistungsstark als auch zuverlässig ist.
Um die Anzahl an Verbindungsstellen durch das Aufbringen der Isolationsschicht
als separates Element zu reduzieren, soll im Rahmen des Projektes eine neue
Technologie realisiert werden, die auf einem direkten Spritzgießen der
Isolationsschicht auf den Kühlkörper beruht. Entsprechend werden keine
zusätzlichen Verbindungsschichten oder ein Laminier-Prozess benötigt, womit die
Anzahl an mechanischen Schwachstellen und Wärmeübergängen auch durch den
Wegfall weiterer Materialien deutlich reduziert werden können. Interfaces
zwischen unterschiedlichen Materialien mit stark divergierenden thermischen
Ausdehnungskoeffizienten sind eine Hauptursache für Delamination und
Rissbildung unter thermischer und mechanischer Belastung. Bedingt durch die
Fertigung im Spritzguss kann eine homogene Materialverteilung ermöglicht
werden, was in einer hohen Wärmeabfuhr und ausreichend hohen elektrischen
Isolierung resultiert. Zusätzlich trägt die höhere Effizienz der Module dazu
bei, Energieverluste in Form von Wärme zu minimieren. Da weniger elektrische
Energie in Abwärme umgewandelt wird, verbessert sich die Gesamteffizienz der
Leistungselektroniksysteme und führt zu einem geringeren Stromverbrauch. Dies
ist insbesondere in Anwendungen wie der Elektromobilität und erneuerbaren
Energien von Bedeutung.
Der Ansatz kombiniert die Vorteile hochleistungsfähiger Isolationsschichten mit
der Effizienz eines direkten Fertigungsprozesses. Dabei ist von einer Reduktion
der Energieintensität in der Herstellung von über 99 % auszugehen. Zusätzlich
wird eine CO2 Einsparung von etwa 5.000 t CO2 bei der Fertigung im Spritzguss
bei einer angestrebten Bauteilcharge von etwa 1 Mio. Bauteile pro Modul-Type
erwartet. Weiteres Potenzial liegt in einer weiteren Einsparung durch die
länger erwartete Lebenszeit.
Leistungselektronik kommt heutzutage in einem breiten Feld
zum Einsatz. In modernen Elektrofahrzeugen sind SiC-Module eine
Schlüsselkomponente, insbesondere in den Wechselrichtern, die den Gleichstrom
der Batterie in Wechselstrom für den Antrieb umwandeln. Auch in
Photovoltaik-Wechselrichtern oder in der Leistungselektronik von
Windkraftanlagen spielen SiC-Komponenten eine zentrale Rolle, wobei höhere
Schaltfrequenzen und geringere Verluste eine effizientere Umwandlung und
Einspeisung von erneuerbarer Energie ins Netz ermöglicht. Die extremen
thermischen und mechanischen Anforderungen in diesen Bereichen erfordern eine
„Packaging-Technologie“, die sowohl leistungsstark als auch zuverlässig ist.
Um die Anzahl an Verbindungsstellen durch das Aufbringen der Isolationsschicht
als separates Element zu reduzieren, soll im Rahmen des Projektes eine neue
Technologie realisiert werden, die auf einem direkten Spritzgießen der
Isolationsschicht auf den Kühlkörper beruht. Entsprechend werden keine
zusätzlichen Verbindungsschichten oder ein Laminier-Prozess benötigt, womit die
Anzahl an mechanischen Schwachstellen und Wärmeübergängen auch durch den
Wegfall weiterer Materialien deutlich reduziert werden können. Interfaces
zwischen unterschiedlichen Materialien mit stark divergierenden thermischen
Ausdehnungskoeffizienten sind eine Hauptursache für Delamination und
Rissbildung unter thermischer und mechanischer Belastung. Bedingt durch die
Fertigung im Spritzguss kann eine homogene Materialverteilung ermöglicht
werden, was in einer hohen Wärmeabfuhr und ausreichend hohen elektrischen
Isolierung resultiert. Zusätzlich trägt die höhere Effizienz der Module dazu
bei, Energieverluste in Form von Wärme zu minimieren. Da weniger elektrische
Energie in Abwärme umgewandelt wird, verbessert sich die Gesamteffizienz der
Leistungselektroniksysteme und führt zu einem geringeren Stromverbrauch. Dies
ist insbesondere in Anwendungen wie der Elektromobilität und erneuerbaren
Energien von Bedeutung.
Der Ansatz kombiniert die Vorteile hochleistungsfähiger Isolationsschichten mit
der Effizienz eines direkten Fertigungsprozesses. Dabei ist von einer Reduktion
der Energieintensität in der Herstellung von über 99 % auszugehen. Zusätzlich
wird eine CO2 Einsparung von etwa 5.000 t CO2 bei der Fertigung im Spritzguss
bei einer angestrebten Bauteilcharge von etwa 1 Mio. Bauteile pro Modul-Type
erwartet. Weiteres Potenzial liegt in einer weiteren Einsparung durch die
länger erwartete Lebenszeit.