Innovative Hochleistungselektronik-Lösungen unterstützen Dekarbonisierung
Der anhaltende Trend in Richtung Digitalisierung und Elektrifizierung erhöht stetig den Bedarf an kosteneffizienter elektrischer Energieumwandlung. Zur Nutzung fast aller erneuerbarer Energiequellen werden als wesentliche Bauteile Leistungselektroniksysteme und damit Leistungshalbleiter gebraucht. Das EU-finanzierte Projekt Power2Power verfolgte das Ziel, Lösungskonzepte für gesellschaftliche Herausforderungen wie den grünen Wandel durch nachhaltig wettbewerbsfähige und fortgeschrittene, auf Silizium (Si) beruhende Technologien mit Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode (Insulated Gate Bipolar Transistor, IGBT) für Hochleistungselektronik anzubieten. Das Projekt wurde von der Infineon Technologies Dresden GmbH & Co. KG in Deutschland koordiniert und vereinte 43 Projektpartner aus acht europäischen Ländern. „Auch wenn neuen Leistungshalbleiterwerkstoffen wie Siliziumkarbid (SiC) oder Galliumnitrid (GaN) eine wichtige Funktion bei der effizienten Umstellung auf eine nachhaltige, unabhängige Energieversorgung zukommt, besagen Prognosen, dass auch nach 2030 Leistungshalbleiter auf Siliziumbasis den Markt dominieren werden“, berichtet Jochen Koszescha, Leiter des Arbeitspakets 1. „Es besteht weiterhin die Notwendigkeit, die Leistungsfähigkeit und Stärke der europäischen Wertschöpfungskette für diese Produkte zu verbessern.“
Innovative Leistungshalbleiterbauelemente auf Siliziumbasis
Power2Power ist es gelungen, Verbesserungen bei der kosteneffizienten Herstellung von Siliziumrohlingen für hochwertige und leistungsstarke 300-mm-Wafer zu erzielen, die Leistungsverbesserungen bei den siliziumbasierten IGBT-Bauelementen für Spannungswerte über 1 700 V mit sich bringen. Es wurde ein moderner Micro-Pattern-Trench-IGBT entwickelt, der die aktuellen Ansätze an Leistung übertrifft. Als Ergebnis des Projekts Power2Power bietet ein frei zugänglicher europäischer Foundry-Dienst eine integrierte Isolationstechnologie an. Zudem führte Power2Power kombinierte Forschungsarbeiten zu Technologieentwicklungen, Produktionskapazitäten und Untersuchungen in Sachen Zuverlässigkeit durch, die sich mit dem breiten Anwendungsspektrum der Leistungselektronik in den Bereichen Fahrzeugbau, Industrie und Antriebstechnik befassen, wobei der Integration von erneuerbaren Energien und dem Stromnetz besondere Aufmerksamkeit gewidmet wird. Diese Forschungsrichtung erforderte die Erkundung mehrerer neuartiger oder verbesserter Halbleiterfertigungsprozesse für Bipolartransistoren mit isolierter Steuerelektrode in Bezug auf Ionenimplantation, Metallisierung, Bauelemente- und Ausbeuteoptimierung bzw. Verunreinigungsvermeidung. Projektintern gelang es, entlang der Wertschöpfungskette mehrere Produktionsverfahren, so zum Beispiel das drucklose Löten von Chips, das Drahtbonden, das Clip-Sintern und die automatisierte Chip-Ummantelung (Packaging), innovativ zu verändern oder zu verbessern. Ebenso wichtig ist die Umsetzung von Fachwissen an industriellen Arbeitsplätzen, die durch erweiterte Realität unterstützt wird, wodurch neues Wissen von der Montage bis hin zu Wartungsverfahren in die Pilotlinien des Projekts einfließt. Überdies führte Power2Power neue Dienstleistungssegmente für die Leistungsmodulfehleranalyse und die Werkstoffprüfung in Hinsicht auf Alterungseffekte in Leistungsmodulen ein. Im Rahmen des Projekts konnten deutlich verbesserte Hochspannungs-Leistungslösungen bereitgestellt werden, mit denen beträchtliche Mengen an CO2-Emissionen einzusparen sind. Dazu wurden in den Anwendungsbereichen Verkehr und Maschinen mit Erfolg die erforderliche Zuverlässigkeit und Robustheit nachgewiesen. Bei Umrichtern und Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge wurde bei der Energieumwandlung ein Wirkungsgrad von über 98 % erzielt. Die Kosten für Ladestationen für Schienenfahrzeuge wurden um 30 % gesenkt und die Lebensdauer von Ladegeräten für Elektrofahrzeuge konnte um das 1,5-fache verlängert werden.
Beitrag zu Europas ECS-Industrieführerschaft durch wachsende IGBT-Produktion
Die Herangehensweise von Power2Power an Innovation, welche die Zusammenarbeit zwischen europäischen Universitäten, Forschungs- und Entwicklungszentren, Großunternehmen und KMU beinhaltet, gestattet sowohl die Schaffung neuer als auch die Stärkung vorhandener strategischer Beziehungen. Infolgedessen ist eine erhebliche Ausweitung des europäischen Ökosystems der Leistungselektronik zu verzeichnen. „Die ersten Ergebnisse des Projekts Power2Power haben bereits ihren Weg in die nachfolgende Industrialisierung und Nutzung durch die potenzielle Kundschaft gefunden“, erläutert Koszescha. „Die Pilotlinien sind expansionsbereit, um den kommenden Bedarf an Leistungshalbleitern im Zusammenhang mit der europäischen Unabhängigkeit im Energiebereich zu decken.“
Schlüsselbegriffe
Power2Power, Leistungshalbleiter, Silizium, IGBT, Energieumwandlung, Halbleiterfertigung, Mobilität, erneuerbare Energien, CO2-Reduktion, Lebensdauerverbesserung, Standzeitverlängerung, Dekarbonisierung, Digitalisierung, Elektrifizierung
