Forschungsprojekt HotPowCon Elektronische Leistungsbaugruppen halten 300 °C aus

Schlüsseltechnologie für die Elektromobilität in Deutschland: Eine neue Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ermöglicht die Fertigung von elektronischen Leistungsbaugruppen, die auch bei Spitzentemperaturen von bis zu 300 Grad Celsius zuverlässig funktionieren.

Nach drei Jahren Arbeit im Rahmen des Forschungsprojekts »Hot-Power-Connection« liegt jetzt eine neue Aufbau- und Verbindungstechnik vor. Sie ermöglicht die Fertigung von elektronischen Leistungsbaugruppen, die auch Spitzentemperaturen von bis zu 300 °C aushalten.

Da die Steuerelektronik vor allem in Hybrid- und Elektrofahrzeugen sehr hohen Betriebstemperaturen standhalten muss, lautete das Ziel des Forschungsprojekts »Hot-Power-Connection«, oder kurz HotPowCon, folgendermaßen: Die Entwicklung von neuen Fügewerkstoffen, Verfahren und Anlagetechniken zur Herstellung von Leistungselektronik für Hybrid- und Elektrofahrzeuge. Die neue Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT) ist nun das Ergebnis von drei Jahren Forschungsarbeit, an dem insgesamt elf Partner aus Industrie und Forschung beteiligt waren. Das Bundesministerium für Bildung und Forschung hat rund die Hälfte der Forschungsaufwendungen in Höhe von 5,5 Mio. Euro beigesteuert.

Das Problem

Um die Elektromobilität voranzutreiben, braucht die Automobilindustrie möglichst günstige, energieeffiziente und kompakte Leistungsbaugruppen. Darüber hinaus soll es möglich sein, Logik-ICs wie Mikroprozessoren in die Baugruppen zu integrieren. Für diese Kombination gab es bisher keine bleifreie, zuverlässige und kostengünstige AVT, die gleichzeitig auch noch hohen Betriebstemperaturen standhält. Bisherige Fügetechniken waren sehr kostenintensiv oder beruhten meist auf umweltschädlichen, bleihaltigen Loten. Hinzu kommt, dass die Leistungsbaugruppen aufwendig gekühlt werden mussten, weil sie eine hohe elektrische Leistung verarbeiten und deshalb viel Wärme produzieren. Ihre maximale Betriebstemperatur wurde maßgeblich von der eingesetzten Verbindungstechnik begrenzt.

Die Lösung

Das HotPowCon-Konsortium hat nun ein verarbeitungsfähiges Pastensystem auf Zinnbasis entwickelt, das ein Fügen durch isotherme Erstarrung ermöglicht. Damit lassen sich alle Komponenten der Baugruppe in nur einem Fügeprozess löten. Die neue AVT ist bleifrei und basiert auf preisgünstigen Materialien. Weil sie sehr hohen Temperaturen standhält, kann der Aufwand für die Kühlung deutlich reduziert werden. Das senkt den Energiebedarf und trägt ebenfalls zur Kostensenkung bei. Die Forscher haben Grundlagen für einen späteren Einsatz der AVT in der industriellen Serienproduktion geschaffen, von der Auswahl der Werkstoffe über die Verfahrenstechnik bis hin zur Anlagentechnik. Anhand von Demonstratoren haben sie die Zuverlässigkeit der AVT im Hochtemperatur-Bereich nachgewiesen.

Die Partner