Technologie

Hüllen für Leistungshalbleiter aus dem 3D-Drucker

29.06.2022 - 3D-Druck und Sintern von Gehäusen für leistungselektronische Bauelemente erstmals gelungen.

Forschende der Technischen Universität Chemnitz ist erstmals der 3D-Druck von Gehäusen für leistungs­elektronische Bauelemente gelungen, die etwa zur Ansteuerung elek­trischer Maschinen dienen. Dabei werden während des Druckvorgangs Silzium­carbid-Chips an einer dafür vorge­sehenen Stelle der Gehäuse positioniert. Wie schon bei ihrem gedruckten Motor aus Eisen, Kupfer und Keramik, den die Forschenden erstmals 2018 auf der Hannover Messe präsentierten, kommen auch beim 3D-Druck der Gehäuse keramische und metallische Pasten zum Einsatz.

„Diese werden nach dem Druckvorgang, zusammen – und das ist das Besondere daran - mit dem einge­druckten Chip gesintert“, sagt Ralf Werner, vom Institut für Elektrische Energie­wandlungssystem und Antriebe. Keramik diene dabei als Isolations­material und Kupfer werde zur Kontaktierung der Gate-, Drain- und Source-Flächen der Feldeffekt­transistoren verwendet. „Besonders anspruchsvoll war die Kontaktierung der Gate-Fläche, die im Normalfall weniger als einen Millimeter Kanten­länge aufweist“, sagt Thomas Basler, Leiter der Professur Leistungs­elektronik, hinzu, dessen Team das Projekt mit ersten Funktionstests an Prototypen unterstützte.  

Nach den an der TU Chemnitz gedruckten keramisch isolierten Spulen und dem gedruckten Motor stehen nun auch Antriebs­komponenten zur Verfügung, die Temperaturen mehr als 300 Grad Celsius 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“, so 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.

„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. Johannes Rudolph und sein Team wollen das Verfahren zur Marktreife weiter­entwickeln. Potentielle Kooperations­partner sind willkommen daran mitzuwirken, beispielsweise im Rahmen gemeinsamer Forschungs­projekte.

TU Chemnitz / JOL

Weitere Infos

Webinar: Thermische Modellierung von Lasern in Fertigungsprozessen

Dienstag, 11.10.2022
14:00 Uhr CEST

Zur Registrierung

Jobbörse für Physikerinnen und Physiker

06.-09.09.2022
Eine Kooperation von Wiley und der DPG.

 

Jetzt kostenfrei anmelden

Webinar: Thermische Modellierung von Lasern in Fertigungsprozessen

Dienstag, 11.10.2022
14:00 Uhr CEST

Zur Registrierung

Jobbörse für Physikerinnen und Physiker

06.-09.09.2022
Eine Kooperation von Wiley und der DPG.

 

Jetzt kostenfrei anmelden