Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Kunststofftechnik
Am Weichselgarten 10
91058 Erlangen
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.
Ziel des Projektes ist es, den Energieverbrauch in der Fertigung der Kühlkörpermodule um mindestens 80 % zu senken. Möglich wird dies durch die Fertigung von dünnen Isolationsschichten im Bereich von 100 µm Dicke mittels Spritzgussverfahren. Diese Schichten sollen dabei die thermischen Anforderungen der Leistungselektronik im Hinblick auf die Wärmeabfuhr und damit eine Wärmeleitfähigkeit von 15 W∙m-1∙K-1 erfüllen. Gleichzeitig soll eine hohe elektrische Isolierung im Bereich von mindestens 4,5 kV∙mm-1 bei einer Teilentladungsfestigkeit von mindestens 2,5-fachen der Betriebsspannung und eine ausreichende mechanische Stabilität realisiert wer-den. Es wird dabei angestrebt, einen Prozess zu etablieren, der in der industriellen Fertigung zum Einsatz kommen kann.
Grundlage des Vorhabens ist eine zu entwickelnde Werkstoff-/ Prozess-Interaktion, die gleichzeitig eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine ausreichende elektrische Isolierung und eine hohe mechanische Stabilität gewährleistet. Zusätzlich soll eine zuverlässige Funktion der Isolationsschicht über die gesamte Lebensdauer sichergestellt werden und die Wasseraufnahme der Schicht reduziert werden. Dadurch sollen Schwankungen in der Leistung unter wechselnden Umgebungsbedingungen vermieden werden.
Es sollen verschiedene Matrixsysteme auf Basis von Duromeren sowie unterschiedlicher Füllstoffsysteme betrachtet werden. Neben singulären Füllstoffsystemen sollen auch binäre oder bimodale Füllstoffe unter Nutzung von synergistischen Effekten unter anderem im Bereich der Wärmeleitfähigkeit bei Ausbildung von Pfadstrukturen evaluiert werden. Zusätzlich soll der Einsatz von Additiven zur Verbesserung unter anderem der Fließfähigkeit bedingt durch hohe Füllgrade analysiert werden.
Als Richtwert für die Charakterisierung der Eigenschaften der Isolationsschicht sollen im Rahmen des Vorhabens die Normen und Anforderungen der ECPE Guideline AQG 324 aus der Leistungselektronik als Orientierung dienen. Besonders soll dabei der Vergleich der entwickelten Schicht zu bestehenden Lösungen, wie etwa der DCB-Keramik oder IMS-Leiterplatten, gezogen werden. Neben einer Bauteilcharakterisierung sollen die möglichen Wärmeübergänge zwischen den Schichten simulativ betrachtet werde. Dadurch soll ein tieferes Verständnis geschaffen werden, welche Einflussgrößen auf die Wärmeleitfähigkeit auf Bauteilebene wirken.