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Heraeus Electronics, Experte für Materialien und aufeinander abgestimmte Materiallösungen in der Aufbau- und Verbindungstechnik, ist einer von fünf Partnern des dreijährigen durch das BMWK (Bundesministeriums für Wirtschaft und Klimaschutz) geförderten Verbundvorhabens „Kupfer-Sinterprozesse mittels Induktionserwärmung zur Anwendung im Bereich Elektromobilität“ (KuSIn).
Das Verbundvorhaben begann im Juli 2023. Heraeus Electronics traf sich zum Projektstart mit allen Partnern am Sitz des Sinteranlagenherstellers Budatec in Berlin. Weitere Partner und Teilnehmer waren die Firma Vitesco Technologies sowie die Technische Universität Chemnitz und die Fraunhofer Institute ENAS und IMWS.
Im Vorhaben KuSIn sollen Pasten, Werkzeuge, Maschinen und Prozesse zum induktiven Sintern von Kupferpartikeln für den (Multi-)Die- und Substrate-Attach (Die- und Substrate-Attach sind in der Leistungselektronik die Fachbegriffe für die Chip- und Substratmontage auf dem Schaltungsträger) in der Elektromobilität und verwandten leistungselektronischen Anwendungen entwickelt werden. Dabei wird Silber als Fügewerkstoff durch Kupfer ressourceneffizient substituiert. Die erforderlichen höheren Sintertemperaturen und die höhere Oxidationsneigung von Kupfer im Vergleich zu Silber werden durch die schnelle, selektive und energieeffiziente induktive Erwärmung adressiert. Die Anwendung von Kupfer als Fügematerial in Verbindung mit einer innovativen Wärmeerzeugung mittels Induktion sollen wesentliche Verbesserungen bei den Prozesskosten und der Energieeffizienz des Verfahrens bei gleichbleibender Zuverlässigkeit im Vergleich zu konventionellen Silber-Sinterprozessen ermöglichen. Insbesondere im Zuge der verstärkten Nutzung des Sinterns von Metall-Keramik-Substraten auf Kühlkörpern oder anderen großflächigen Strukturen könnte dies so die Verbreitung der Niedertemperatur-Sintertechnologie in der Leistungselektronik weiter unterstützen.
Heraeus Electronics wird Kupferpasten und Prozesse für das induktive Sintern von Kupferpartikeln zum Die- und Substrate-Attach für leistungselektronische Baugruppen entwickeln und sowohl die Reduzierung der Werkstoffkosten als auch kostenintensive Prozessparameter wie Sintertemperatur, -zeit und -druck adressieren.
Vitesco Technologies wird neben der Koordinierung des Verbundprojekts den neuen Sinterprozess beim Aufbau eines Leistungsmoduls anwenden, welches durch umfangreiche Tests und Analysen erprobt und mit dem Stand der Technik verglichen wird.
Budatec konzeptioniert und realisiert in ihrem Teilprojekt eine Sinteranlage mit induktiver Erwärmung und definierten Atmosphären, wodurch der Prozess des induktiven Kupfersinterprozesses erforscht und später industrialisiert werden kann.
Die Technische Universität Chemnitz wird die Kernkomponenten sowie den induktiven Sinterprozess auslegen und simulieren. Zudem umfasst das Teilvorhaben die Realisierung eines induktiven Sintermoduls zur Integration in die Sinteranlage.
Die Fraunhofer-Institute ENAS und IMWS werden in ihrem Teilvorhaben die Induktionsspule und den Kupfer-Sinterprozess entwickeln sowie Materialdiagnostik und Zuverlässigkeitsbewertung durchführen. Dazu wird das Fraunhofer ENAS miniaturisierte Induktionsspulen für das induktive Sintermodul konzeptionieren, mittels mikrotechnologischer Verfahren realisieren sowie die Applikation der Kupfersinterpaste im induktiven Kupfersinterprozesses erforschen. Das Fraunhofer IMWS widmet sich der Mikrostruktur-basierten Erforschung von Kupfersinterpasten während der Entwicklung und im Verarbeitungsprozess sowie der Materialwechselwirkungen (Verbindungsbildung, Alterung, Degradation) im induktiv gesinterten Kontaktinterface auf Basis zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden, hochpräziser Zielpräparationen, höchstauflösender Analysetechniken sowie mikromechanischer, thermographischer, elektrischer und chemischer Charakterisierungsverfahren.
