Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente haben Forscher erstmals durch 3D-Druck und nachfolgendes Sintern hergestellt. Dabei werden während des Druckvorgangs Siliziumcarbid-Chips an einer dafür vorgesehenen Stelle der Gehäuse positioniert. Die Basis für diesen Weg der Fertigung sind keramische und metallische Pasten. „Diese werden nach dem Druckvorgang, zusammen – und das ist das Besondere daran – mit dem eingedruckten Chip gesintert“, sagt Prof. Dr. Ralf Werner, Inhaber der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe an der Technischen Universität Chemnitz.
3D-Druck mit keramischen und metallischen Pasten schafft neue Möglichkeiten
Keramik dient dabei als Isolationsmaterial, Kupfer wird 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“, fügt Prof. Dr. Thomas Basler hinzu. Er leitet die Professur Leistungselektronik, und sein Team hat das Projekt mit ersten Funktionstests an Prototypen unterstützt. Die Antriebskomponenten halten Temperaturen über 300 °C aus. Von der beidseitigen, flächigen und lotfreien Kontaktierung der Chips versprechen sich die Forscher auch eine längere Lebensdauer hinsichtlich der Lastwechselzyklen sowie eine bessere Kühlung und damit Ausnutzbarkeit der Chips.
Angepasste Kühlgeometrien sind denkbar
Weil Keramik eine höhere thermische Leitfähigkeit besitzt als Kunststoff und de 3D-Druck viel Designfreiheit bietet, sind angepasste Kühlgeometrien im Gehäuse und an dessen Oberfläche möglich. Nach Produktion eines Siliziumcarbid-Chips kann das leistungselektronische Bauelement in einem Schritt entstehen.
Johannes Rudolph, der das 3D-Druckverfahren mitentwickelt hat, und sein Team an der TU Chemnitz wollen das Verfahren zur Marktreife weiterentwickeln und haben mehrere Prototypen der additiv paketierten Leistungshalbleiter auf Siliziumcarbid-Basis hergestellt. Potenzielle Kooperationspartner sind willkommen.
Wissenschaftlicher Ansprechpartner:
Johannes Rudolph,
E-Mail: johannes.rudolph@etit.tu-chemnitz.de
