Empower - Embedded power components for electric vehicle applications

Ausgangssituation/Motivation

Primäres Einsatzgebiet für dieses Konzept sind

• Stromrichter für den Antriebsmotor,
• Ladeeinrichtungen und
• generell leistungselektronische Steuerungen in den Hilfsaggregaten (Servolenkung, Bremssystem etc.).

Die bestehenden Packaging-Lösungen, die auf teurer mit Kupfer beschichteter Keramik basieren, erreichen im Gesamtaufbau eine Größe und ein Gewicht bzw. sind mit hohen Herstellkosten verbunden, die derartige Produkte unattraktiv für den Einsatz insbesondere im Automobilbau machen. Ein weiteres bisher nicht vollständig gelöstes technologisches Problem ist hierbei die unvermeidbare Kombination sehr unterschiedlicher Materialien, deren thermischer Ausdehnungskoeffizient nicht hinreichend gut angepasst werden kann. Dies führt bei Temperaturschwankungen zu einer schlecht vorhersagbaren Verminderung der Lebenserwartung und uverlässigkeit.

Inhalte und Zielsetzungen

Die essentiell innovativen Schritte des EmPower-Konzepts bestehen einerseits in einer miniaturisierungsbedingten Verkürzung der Wärmeableitpfade, über welche die unvermeidbaren Schaltverluste der Leistungshalbleiterbauelemente zum Kühlkörper abgeführt werden. Bereits durch diesen Schritt wird der für die thermische Beanspruchung der Baugruppe relevante Temperaturanstieg im Lastfall entscheidend reduziert. Andererseits werden die Leistungshalbleiterchips erstmals beidseitig mit Kupfer beschichtet und in einem Leiterplattenaufbau unter Anwendung eines neuen Niedertemperatur-Silbersinterprozesses eingebettet. Hierdurch bietet der entstehende Aufbau eine beidseitige Wärmeabfuhr, wodurch der Wärmeableitwiderstand und somit die Halbleitertemperaturen weiter drastisch vermindert werden können. Darüber hinaus erlaubt das EmPower-Konzept das Herstellen der kürzest möglichen elektrischen Verbindungen zwischen den Leistungshalbleitern, wodurch die parasitären Leitungsimpedanzen und damit die Schaltverluste a priori minimiert werden können. Diese drei Maßnahmen sind der Schlüssel zu Materialeinsparung, Gewichts- und Volumenreduktion sowie einer Steigerung der Energieeffizienz bei gleichzeitig reduzierten Herstellungskosten.

Methodische Vorgehensweise

Die Entwicklung dieses Konzepts ist in drei parallel geführten Phasen konzipiert: Die Leiterplatte mit den beidseitig großflächig kontaktierten, eingebetteten Chips stellt den "ECP Power Core" (Embedded Component Package) dar. Dieser wird ebenfalls mit Silbersinterpaste beidseitig mit IMS (Insulated Metal Substrates) als Kühlkörper verbunden und somit die Verdrahtung komplettiert – es entsteht das "ECP Power Module". Mit diesem Verfahren können vollständige Drehstrombrücken einschließlich Freilaufdioden in ein Package integriert werden. Zusätzlich ist vorgesehen, das Verfahren für die Entwicklung von "Power discrete packages" mit eingebetteten Einzelhalbleiter wie Leistungsdioden und Spannungsbegrenzer anzuwenden.
Um diese ehrgeizigen Ziele zu erreichen, wird in einem ersten Schritt eine genaue Spezifikation der Komponenten erarbeitet, Verfahrensabläufe festgelegt und eine vorläufige Materialauswahl getroffen. Diese Materialien werden evaluiert und durch Aufbau von Testobjekten die erforderlichen Prozessparameter und Prozessfenster evaluiert. Mittels metallurgischer Untersuchungen werden die optimalen Materialkombinationen im Hinblick auf Zuverlässigkeitsaspekte ermittelt. Ebenso ist das serientaugliche Verfahren zur beidseitigen Kupfermetallisierung der Wafer zu entwickeln.
Konzepte für funktionelle Aufbauten werden mittels Virtual Prototyping auf Basis von Finite-Elemente-Simulationen erstellt und einander gegenübergestellt. Testobjekte von ausgewählten Konzepten werden hergestellt und thermisch und thermomechanisch charakterisiert und mittels Hochgeschwindigkeitsthermografie das gemessene dynamische Verhalten unter Einsatzbedingungen mit den Ergebnissen der Simulation verglichen.

Ergebnisse und Ausblick

Die am besten geeigneten Varianten werden weiter verbessert und in einer späteren Projektphase für die Herstellung von Demonstratoren verwendet.
Die Ergebnisse werden durch Publikationstätigkeit in technisch-wissenschaftlichen Fachzeitschriften sowie auf Fachtagungen, internationalen Konferenzen und Messen der Öffentlichkeit zugänglich gemacht.

Projektleitung

AT&S Austria Technologie&Systemtechnik Aktiengesellschaft
DI Mike Morianz

Projektpartner

Technische Universität Wien - Institut für Sensor- und Aktuatorsysteme
Dipl.-Ing. Dr.techn. Paul Fulmek

AT&S Austria Technologie&Systemtechnik Aktiengesellschaft
DI Mike Morianz

Tel.: +43-3842-200-5713
E-Mail: m.morianz@ats.net

Dieses Projekt wurde im Rahmen des Programms "Mobilität der Zukunft" vom BMVIT finanziert.

Weiterführende Informationen finden Sie im Infonetz der FFG.