Leistungselektronik für Elektro-Automobile

Verbindungstechnik im Fokus

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Seit Jahren entwickelt und liefert Heraeus Lot- und Silbersinterpasten, Aluminiumdrähte und Bondpads zum Kontaktieren von Leistungshalbleitern in E-Loks, Aufzügen und Windkraftanlagen. Von dieser Expertise profitieren die Hersteller von Leistungsbaugruppen für Elektroautos.

Guido Matthes, W. C. Heraeus GmbH, Hanau

Camille Jenatzky fuhr einfach drauf los. Der Franzose erreichte 1899 mit seinem Fahrzeug eine Geschwindigkeit über 100 km/h – elektrisch angetrieben. Über das Thema Leistungselektronik machte er sich keine Gedanken. Deshalb waren Begriffe wie Silbersintern oder Silberkontaktierungspaste Fremdworte für ihn.
Autos für die Zukunft
Über hundert Jahre später sind im Bereich der E-Mobilität das Know-how und die Produktion der Batterietechnik fest in asiatischer Hand. Aber bei der Leistungselektronik als „Bindeglied“ gibt es viel Know-how bei heimischen Herstellern, allen voran W. C. Heraeus. Der Technologiekonzern hat mit seinen Hightech-Lotpasten und dem Wissen sie richtig einzusetzen, einen Vorsprung, den das Unternehmen halten will. Deshalb hat man im Bereich Verbindungstechniken für die Leistungselektronik die Pasten und das Silbersintern den hohen Anforderungen an moderne Elektroautos weiter angepasst.
E-Mobilität steht neben der Energieeffizienz hoch im Kurs. E-Autos sind im Kommen und selbst die Kanzlerin macht sich für diese Technologie stark (Nationale Plattform Elektromobilität). Selbstverständlich sind die Fraunhofer Institute an vorderster Front dabei, Fraunhofer Forum Elektromobilität sowie das Forum Elektromobilität e.V., und eine Studie vom VDE zeigt, dass das Thema ganz oben auf der Agenda der Automobilhersteller und der Industrie steht. Der aktuelle VDE-Trendreport sieht Deutschland bis 2020 im Bereich E-Mobility als Innovationsführer und internationalen Leitmarkt. Laut einer VDE-Studie fährt Deutschland bei E-Mobility auf die Pole Position. Ein Ergebnis ist, dass für den Bereich Leistungselektronik die befragten Unternehmen und Hochschulen die „Potentiale von E-Mobility vor allem in der Technologieführerschaft sehen“ und „zwei Drittel der VDE-Unternehmen und der Hochschulen sehen die Forschung und Industrie in Deutschland hier besonders gut aufgestellt“.
Unterschiedliche Anforderungen
Natürlich gibt es die Leistungselektronik nicht erst seit den Elektroautos. Einsatz findet sie z.B. bei Aufzügen, Windkraftanlagen, großen Bearbeitungsmaschinen, E-Loks und Schiffen. Man braucht sie hier aufgrund der starken E-Motoren (Starkstrom, größer 100 A) und der mehrere hundert Volt hohen Spannung. Die hohen Spannungen sind auch ausschlaggebend für die besonderen Anforderungen an die Leistungselektronik und deren Verbindungen im E-Auto (Bordnetzspannung beim „Otto-Auto“ 12 Volt, bei E-Autos 330 bis 650 Volt). Außerdem gibt es hier, anders als bei rein industriellen Anwendungen, große Temperaturschwankungen von –40 °C bis +150 °C. Es ist nämlich nicht nur die maximale Temperatur, neben der hohen Spannung, die es zu beachten gilt, sondern es sind auch die großen Temperatursprünge. Oder mit anderen Worten: The packaging set the limits and not the semiconductor.
Temperatur als Knackpunkt
Der Verbindungstechnik kommt somit eine hohe Bedeutung zu. Der Hanauer Technologiekonzern hat dafür viele Produkte weiterentwickelt, um den gestiegenen Anforderungen an die Leistungselektronik gerecht zu werden.
Zuerst sind die neuen Lotpasten zu nennen. Sie sind speziell für das Bedrucken von großen Flächen und fürs Löten unter Vakuum optimiert. Da unter Vakuum gelötet wird, ist die entstehende Verbindung porenarm und sehr zuverlässig bei hohen Temperaturen und Strömen. Diese Lotpasten braucht man dann auch, um die Leistungselektronik noch auf den Kühlkörper aufzubringen.
Eine andere Weiterentwicklung ist das Silbersintern (MAgIC, Microbond Silver Interconnect). Die Verbindung entsteht durch einen Sinterprozess, wobei das Know-how des Unternehmens in der Entwicklung spezieller Pasten (MAgIC) liegt. Ausschlaggebend beim Silbersintern sind Druck und Temperatur. Diese Parameter richtig angewandt bzw. ausgewählt führen zu weniger Porösität, also weniger Lufteinschlüsse in der Verbindung, was wiederum vorteilhaft für die Wärme- und elektrische Leitfähigkeit ist. Im Vergleich mit dem Lot erhöht sich die Wärmeleitfähigkeit beim Einsatz von MAgIC Silberkontaktierungspasten um den Faktor 3 bis 5, die elektrische Leitfähigkeit wird verdoppelt. Den Druck beim Sintern möchten die Hanauer Experten Richtung 0 MPa gehen lassen, denn niedrigere Temperaturen und ein letztendlich druckloser Prozess sparen Kosten.
Auch im Bereich Bonddrähte hat man Neuigkeiten. Hier hat das Unternehmen Al-Dickbond-Drähte entwickelt, die der erhöhten Leistung im E-Auto Rechnung tragen – wobei der Trend zu Al-Bändchen geht, denn ein entscheidender Knackpunkt beim Bonden ist der Oberflächenquerschnitt. Der ist bei einem Al-Bändchen natürlich größer als bei einem Draht. Durch spezielle Dotierung und besondere Reinheit der eingesetzten Materialien wird die Zuverlässigkeit der Bondverbindung, die Qualität und Ausbeute sowie letztendlich die Kosten beeinflusst.
Verbindungen entscheiden
Um den Al-Dickbond-Drähten, Durchmesser 250 µm bis 500 µm, bzw. dem Al-Dickbond-Bändchen, und somit dem IGBT-Modul, den Kontakt nach außen zu ermöglichen, setzt man spezielle bondbare Stanzteile ein: die AlSi:Bond walzplattierte Bänder. Diese Bandhalbzeuge zeichnen sich besonders durch ihre Robustheit für anspruchsvolle Anwendungen und die relativ unproblematische Verarbeitung aus. Die walzplattierten Bänder mit einer Aluminium-Silizium-Oberfläche auf einem Kupferträgerband ermöglichen zuverlässige Bondverbindungen in Hybridbauteilen und haben sich bereits in mehreren Millionen Fahrzeugen bewährt. Ähnliche Eigenschaften haben auch die AlSi-Pad oberflächenbeschichtete Bondpads. In der Aufbau- und Verbindungstechnik lassen sich damit die guten Eigenschaften der Aluminium-Silizium-Oberfläche auf Leiterplatten und Keramikhybriden nutzen. Aufgrund der SMT-tauglichen Verpackung kann man die AlSi-Pads sehr gut im Bestückungsprozess verwenden, denn dort lassen sie sich leicht und sicher verarbeiten. Durch den Einsatz entsteht ein durchgängiges Monometallsystem für die komplette Bondverbindung zwischen Leadframe und Elektronik.
Kombination Wissen und Hardware
Es kommt nicht nur das komplette Wissen bzgl. des Lötens, des Sinterns und der dazu benötigten Pasten von Heraeus, sondern auch die dazugehörige Hardware in Form der Al-Dickbond-Bänder und der bondbaren Stanzteile. Das Unternehmen hat aus anderen Bereichen der Leistungselektronik wie beispielsweise bei Aufzügen, E-Loks oder Windkraftanlagen große Erfahrung. Diese fließen in die aktuellen Entwicklungen ein, denn bei aller Euphorie für die Elektromobilität sollten eins nicht vergessen werden: Das Know-how für die entsprechende Leistungselektronik liegt noch in europäischer Hand.

Zum Unternehmen
Der Edelmetall- und Technologiekonzern Heraeus mit Sitz in Hanau ist ein weltweit tätiges Familienunternehmen mit einer über 155-jährigen Tradition. Die Geschäftsfelder umfassen die Bereiche Edelmetalle, Sensoren, Biomaterialien und Medizinprodukte, Dentalprodukte sowie Quarzglas und Speziallichtquellen. Mit einem Produktumsatz von 2,6 Mrd. Euro und einem Edelmetallhandelsumsatz von 13,6 Mrd. Euro sowie weltweit über 12.300 Mitarbeitern in mehr als 110 Gesellschaften hat das Unternehmen eine führende Position auf seinen globalen Absatzmärkten.
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