Nanoporöses Gold als Gamechanger für feine Strukturen
Mehr Effizienz und Nachhaltigkeit durch neue Material- und Systemansätze für Galliumnitrid‑Leistungshalbleiter.
Eine deutliche Reduktion des Energieverbrauchs und der CO₂‑Emissionen durch modulare, leicht integrierbare Galliumnitrid‑Leistungshalbleiter (GaN) – das ist das Ziel im EU-geförderten Projekt All2GaN. 45 Partner aus zwölf Ländern arbeiten daran, das Energiesparpotenzial von GaN‑Halbleitern für eine Vielzahl industrieller Anwendungen nutzbar zu machen. Das Fraunhofer IZM übernimmt dabei eine zentrale Rolle entlang der Wertschöpfungskette: Mit seiner international führenden Expertise in der Aufbau‑ und Verbindungstechnik entwickelt das Institut innovative Fügetechnologien, die entscheidend für die Leistungsfähigkeit, Miniaturisierung und Nachhaltigkeit zukünftiger GaN‑Elektronik sind.
Galliumnitrid gilt als einer der wichtigsten Halbleiterwerkstoffe für die Elektronik der Zukunft. Im Vergleich zu Silizium ermöglicht GaN höhere Leistungsdichten, geringere Schaltverluste und höhere Frequenzen – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen in Telekommunikation, Rechenzentren, Elektromobilität, erneuerbaren Energien und Smart‑Grid‑Systemen.
Die im Projekt All2GaN („Affordable smart GaN IC solutions for greener applications“) entwickelten Bauelemente werden in elf industriellen Use‑Case‑Demonstratoren getestet, um das Effizienzpotenzial systematisch zu bewerten. Über alle Anwendungsfälle hinweg erwarten die Forschenden eine durchschnittliche Verlustreduktion von rund dreißig Prozent und wollen eine Integrations‑Toolbox entwickeln, die eine neue Generation modularer, leicht integrierbarer GaN‑Leistungshalbleiter präsentiert.
Die Entwicklung geeigneter Verbindungstechnologien auf Leiterplatte ist essenziell, um die Vorteile von Galliumnitrid in realen Anwendungen nutzen zu können. Während andere Projektpartner klassische Lötverfahren oder Sintertechnologien untersuchen, konzentrieren sich die Fraunhofer IZM-Forschende auf die Thermokompression – ein Verfahren, welches sich besonders für Fine-Pitch-Anwendungen mit Strukturgrößen im Bereich <10 µm eignet.
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Eine zentrale Rolle spielt dabei das am Fraunhofer IZM entwickelte nanoporöse Gold (NPG), welches aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus feinen Goldligamenten im Nanometerbereich besteht, das durch das selektive Herauslösen von Silber aus einer Gold-Silber-Legierung entsteht. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung mikroelektronischer Systeme rückt das Material zunehmend in den Fokus moderner Verbindungstechnologien.
NPG gilt als vielversprechende Alternative zu konventionellen Verfahren und eröffnet neue Möglichkeiten für zuverlässige Fügetechniken, da es eine lötfreie Fügetechnologie zur direkten Chipkontaktierung auf organischen Leiterplatten ermöglicht und aufgrund seiner schwammartigen Struktur ein deutlich erweitertes Prozessfenster bietet als Lötverfahren. Dank seines besonderen Deformationsverhaltens lassen sich auf engstem Raum präzise und stabile Verbindungen realisieren. Gleichzeitig können durch seine poröse Struktur vergleichsweise große Topographien auf den zu verbindenden Oberflächen effektiv ausgeglichen werden. Vorteilhaft ist ebenso die große spezifische Oberfläche des Materials, die stoffschlüssige Verbindungen bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erlaubt. Dies reduziert thermische Belastungen empfindlicher Bauteile erheblich.
Damit positioniert sich nanoporöses Gold als zukunftsweisendes Material für hochpräzise Anwendungen, insbesondere dort, wo klassische Löttechniken an ihre physikalischen und technologischen Grenzen stoßen.
Das Projekt All2GaN läuft noch bis Ende Oktober 2026 und wird im Rahmen des Chips Joint Undertaking mit insgesamt 60 Millionen Euro gefördert. Beteiligt sind unter anderem Infineon, Fronius, Heraeus Electronics, IMEC, Silicon Austria Labs, Thermo Fisher Scientific, AIXTRON, Delta Electronics, Attolight, Corintis, sowie etliche Technische Hochschulen, darunter die EPFL. [FhIZM / dre]
