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Zuverlässige Systeme durch passive Siliciumbauelemente

Eine höhere Betriebszuverlässigkeit leistungselektronischer Systeme bei verringertem Fertigungsaufwand in der Automobilelektronik erreichen: Das ist das Ziel eines neuen Projektes, gefördert von der Bayerischen Forschungsstiftung. In dem Forschungsvorhaben namens "Zuverlässige Systeme durch passive Siliciumbauelemente" untersuchen Bauelemententwickler der Nürnberger Firma Semikron Elektronik und Wissenschaftler vom Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen Ausfallmechanismen und Zuverlässigkeit integrierter passiver Siliciumbauelemente. Diese Bauelemente sind beispielsweise ein wichtiger Baustein alltagstauglicher Elektronikkomponenten bei der flächendeckenden Einführung der Elektromobilität, erklärt das Fraunhofer IISB.

Durch die hohen Energien, die in Leistungsmodulen - wie etwa für Elektrofahrzeuge - auf kleinstem Raum übertragen werden, führt das Fehlverhalten eines einzelnen Bauelements im Allgemeinen bereits zur Zerstörung des gesamten Moduls, erläutert das Institut. Während die aktiven Leistungsschalter auf Siliciumbasis in der Regel bereits eine hohe Zuverlässigkeit erreichen würden, bestehe bei den für die äußere Beschaltung benötigten passiven Bauelementen noch Verbesserungsbedarf. Bisher würden beispielsweise Kondensatoren und Widerstände als einzelne diskrete Bauelemente in den Modulen verbaut. Die Forscher fassen jetzt die passiven Komponenten in einem Chip zusammen und montieren diesen - wie auch den aktiven Teil - direkt auf das Keramiksubstrat der Module, berichtet das Fraunhofer IISB. Durch den Einsatz solcher monolithisch in Silicium integrierter passiver Bauelemente sollen robustere Leistungsmodule aufgebaut sowie deren Lebensdauer verlängert werden können. Bei dem Forschungsvorhaben stehe entsprechend die Reduzierung der Ausfallraten von passiven Bauelementen in Leistungsmodulen im Vordergrund. Dadurch würden Störungen beim Betrieb eines Gesamtsystems, wie zum Beispiel bei Elektro- und Hybridfahrzeugen, verringert.

Neben der Herstellung der integrierten passiven Bauelemente bringt das Fraunhofer IISB Erfahrung bei der Integration von Bauelementen in Halbleiter, der Bewertung von Fehlerursachen und der Vorhersage von Lebensdauern ein, um die Ausfallmechanismen mit geeigneten Messverfahren zu ermitteln, genau zu beschreiben und darauf aufbauend vorherzusagen, heißt es aus Erlangen. Semikron wird die integrierten passiven Siliciumbauelemente sowohl auf Modulebene als auch im Rahmen eines Feldversuchs in ihren Produkten evaluieren.

In dem Projekt soll auch der Bedeutung der Miniaturisierung elektronischer Komponenten Rechnung getragen werden. Die Anwendung von Methoden und Verfahren der Mikroelektronik auf konventionelle passive Bauelemente ermögliche eine Miniaturisierung auf Systemebene und erschließe Vorteile und Möglichkeiten, erklärt das Fraunhofer IISB: beispielsweise ein fundiertes Verständnis der Zuverlässigkeitsmechanismen, die Verfügbarkeit etablierter und reproduzierbarer Herstellungsprozesse, die monolithische Integration mit Leistungsschaltern auf einem Chip oder die dreidimensionale Bauelementintegration.

Das mit rund 380.000 Euro geförderte Vorhaben hat eine Laufzeit von drei Jahren. Projektbeginn war im Mai 2011. Durch die regionale Zusammenarbeit von Forschung und Industrie sollen auf dem Gebiet der Systemintegration mikroelektronischer Bauelemente neuartige Leistungsmodule entstehen.
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