Technischen Universität Chemnitz

Gehäuse für SiC-MOSFETs aus dem 3D-Drucker schaffen +300 °C

15. Juli 2022, 10:00 Uhr | Ralf Higgelke
TU Chemnitz, Silicon Carbide MOSFET, Johannes Rudolph, 3D Printing, Additive Manufacturing
Johannes Rudolph, Wissenschaftlicher Mitarbeiter der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe der TU Chemnitz, beobachtet den 3D-Druck von Gehäusen für leistungselektronische Bauelemente.
© Jacob Müller

Forschende der TU Chemnitz haben Gehäuse für Leistungshalbleiter additiv in einem 3D-Drucker mit nachfolgendem Sintern gefertigt. Diese Gehäuse eignen sich besonders für Siliziumkarbid-MOSFETs und dürften Betriebstemperaturen bis +300 °C gewährleisten.

Forschende der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe an der Technischen Universität Chemnitz ist es gelungen, Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente im 3D-Druckverfahren zu fertigen. Dabei werden während des Druckvorgangs Siliziumkarbid-Chips an einer dafür vorgesehenen Stelle der Gehäuse positioniert. Auch lassen sich bei diesem Verfahren mehrere Chips in ein Gehäuse integrieren, also beispielsweise Halb- und Dreiphasenbrücken. Dadurch eignen sich solche Komponenten für Umrichteranwendungen mit sehr hoher Leistungsdichte, wie sie beispielsweise im Automotive-Bereich vorkommen.

Wie schon bei ihren keramisch isolierten Spulen und dem gedruckten Motor aus Eisen, Kupfer und Keramik, die die Professur in den Jahren 2017 und 2018 auf der Hannover Messe präsentierte, kommen auch in diesem Fall keramische und metallische Pasten zum Einsatz. Keramik dient dabei als Isolationsmaterial, Kupfer zur Kontaktierung der Gate-, Drain- und Source-Flächen der Transistoren. »Besonders anspruchsvoll war die Kontaktierung der Gate-Fläche, die im Normalfall weniger als einen Millimeter Kantenlänge aufweist«, fügt Prof. Dr. Thomas Basler, Leiter der Professur Leistungselektronik, hinzu, dessen Team das Projekt mit ersten Funktionstests an Prototypen unterstützte.

TU Chemnitz, Silicon Carbide MOSFET, Johannes Rudolph, 3D Printing, Additive Manufacturing
In einem Labor der Professur Elektrische Energiewandlungssysteme und Antriebe der TU Chemnitz werden beim 3D-Druck von Gehäusen für leistungselektronische Bauelemente keramische und metallische Pasten genutzt, um die Bauteilgeometrie zu erzeugen.
© Jacob Müller

»Diese Pasten werden nach dem Druckvorgang, zusammen – und das ist das Besondere daran – mit dem eingedruckten Chip gesintert«, erklärt Prof. Dr. Ralf Werner, Inhaber der Professur Elektrische Energiewandlungssystem und Antriebe. Er ergänzt: »Der Wunsch nach einer temperaturbeständigeren Leistungselektronik war naheliegend, denn die Gehäuse für leistungselektronische Bauelemente sollten möglichst nahe am Motor installiert werden und daher über eine ebenso temperaturbeständig sein.«

Weitere Vorteile durch die Temperaturbeständigkeit

Ein Forschungsteam um Johannes Rudolph, der das 3D-Druckverfahren mitentwickelt hat, stellte in den vergangenen Monaten mehrere Prototypen der additiv paketierten Leistungshalbleiter auf Siliziumkarbid-Basis her.

»Neben der hervorragenden Temperaturbeständigkeit bietet diese Technologie noch weitere Vorteile«, so Rudolph. Da die Chips beidseitig, flächig und lotfrei kontaktiert werden und besser gekühlt werden können, dürften die Halbleiter eine höhere Anzahl an Lastwechselzyklen aufweisen und die besonderen thermischen Eigenschaften der Wide-Bandgap-Halbleiter sich besser ausnutzen lassen.

»Aufgrund der im Vergleich zu Kunststoffen höheren thermischen Leitfähigkeit der Keramik und der für den 3D-Druck üblichen Designfreiheit lassen sich leicht speziell angepasste Kühlgeometrien im Gehäuse und an dessen Oberfläche realisieren«, versichert Rudolph. Zudem sei so zur Herstellung eines leistungselektronischen Bauelements nach der Produktion der SiC-Chips selbst nur ein einziger Arbeitsschritt notwendig.

Johannes Rudolph und sein Team wollen das Verfahren zur Marktreife weiterentwickeln. Potenzielle Kooperationspartner sind willkommen daran mitzuwirken, beispielsweise im Rahmen gemeinsamer Forschungsprojekte.


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