Forschungsschwerpunkt

Embedding-Leiterplattentechnologien für die Leistungselektronik

Einblick in die Leistungselektronik (Modell) in einer Leiterplatte für 90A (HHK Projekt) | Fraunhofer IZM | Volker Mai
© Fraunhofer IZM | Volker Mai

Einblick in die Leistungselektronik (Modell) in einer Leiterplatte für 90A (HHK Projekt)

Die Miniaturisierung und das Packaging von Leistungselektronik durch die Einbettung der Halbleiter in die Aufbaulagen einer Leiterplatte haben in den vergangenen Jahren eine beachtliche Entwicklung durchlaufen. Neben der Kommerzialisierung und ersten Produkteinführungen werden jedoch weiterhin unterschiedliche weitergehende Konzepte und ihre wissenschaftlichen und technologischen Grundlagen entwickelt und erprobt.

Die Modulare Leistungselektronik ist eine Strategie zur kompakten Integration der unterschiedlichen Bestandteile komplexer Leistungsmodule. Neben den Leistungsschaltern bestehen diese aus Treibern und Controllern für die Gate-Steuerung, sowie Mess- und Auswerte Logik bis hin zu Kühlern, um die Verlustwärme abzuführen. Die Anforderungen hinsichtlich thermischer Belastung, Spannungsfestigkeit und Stromtragfähigkeiten sind je nach Systemkomponente unterschiedlich und lassen sich mit verschiedenen technik- und kostenoptimierten Embedding-Varianten getrennt voneinander aufbauen. Embedded-Module entstehen als Ergebnis von Leiterplattenprozessen; es sind flache Bauteile mit ober- und unterseitigen elektrischen Kontakten. Dadurch eignen sie sich zum flächigen Bestücken oder zum Stapeln mit nachfolgendem Laminieren und gegebenenfalls zur Verarbeitung in weiteren Leiterplattenprozessen.

Kern der Systemintegration für die modulare Leistungselektronik ist eine Prozesskombination aus dem Niederdrucksintern basierend auf Silbernanopartikeln und dem Laminieren thermisch hochleitfähiger Aufbaulagen der Leiterplatte. Damit werden beim Sintern thermisch und elektrisch hochleitfähige Verbindungen zwischen den Embedded-Modulen hergestellt und durch das Laminieren der Aufbaulage ein mechanisch robuster, elektrisch isolierender Verbund realisiert, der die elektrischen Kontakte dicht umschließt.

Modulare Leistungselektronik ist nicht nur kompakt und effizient herstellbar. Die Module lassen sich auch flexibel konfigurieren, bzw. hinsichtlich der Leistungsklasse skalieren, indem lediglich die Anzahl der parallelen Schalter und Treiberstufen an die jeweiligen Anwendungsbedingungen angepasst wird.