29.06.2022

Hüllen für Leistungshalbleiter aus dem 3D-Drucker

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.

Abb.: Johannes Rudolph von der TU Chemnitz beobachtet den 3D-Druck von...
Abb.: Johannes Rudolph von der TU Chemnitz beobachtet den 3D-Druck von Gehäusen für leistungs­elektronische Bauelemente. (Bild: J. Müller)

„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

ContentAd

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Kleinste auf dem Markt erhältliche Hochleistungs-Turbopumpe

Die HiPace 10 Neo ist ein effizienter, kompakter Allrounder für den Prüfalltag, der geräuscharm und besonders energieeffizient ist.

Weiterbildung

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie
TUM INSTITUTE FOR LIFELONG LEARNING

Weiterbildungen im Bereich Quantentechnologie

Vom eintägigen Überblickskurs bis hin zum Deep Dive in die Technologie: für Fach- & Führungskräfte unterschiedlichster Branchen.

Meist gelesen

Themen