Mehr elektrische Leistung in kleinerem Volumen Neue Leistungshalbleiter für Hybridantriebe

Der Weltmarkt für Halbleiter liegt bei einer Viertel Billion Dollar rund sechs Prozent davon (16 Milliarden Dollar) gehen in Automobilanwendungen. Mehr als ein Viertel dieser 16 Milliarden wiederum gehen in den Antriebsstrang. Leistungshalbleiter spielen hier die dominierende Rolle. Der anziehende Markt für Hybridfahrzeuge wird für weiteres Wachstum in der Leistungselektronik sorgen, was wiederum innovative Antriebskonzepte initiiert.

Mehr elektrische Leistung in kleinerem Volumen

Der Weltmarkt für Halbleiter liegt bei einer Viertel Billion Dollar – rund sechs Prozent davon (16 Milliarden Dollar) gehen in Automobilanwendungen. Mehr als ein Viertel dieser 16 Milliarden wiederum gehen in den Antriebsstrang. Leistungshalbleiter spielen hier die dominierende Rolle. Der anziehende Markt für Hybridfahrzeuge wird für weiteres Wachstum in der Leistungselektronik sorgen, was wiederum innovative Antriebskonzepte initiiert.

Die weltweite Automobilproduktion liegt heute bei etwa 55 Millionen Fahrzeugen pro Jahr, wobei der durchschnittliche Elektronikanteil von 1000 Euro je Fahrzeug jedes Jahr um rund 15 Prozent weiter wächst. Mehr als 80 Prozent der Innovationen beim Auto erfolgen inzwischen über die elektronischen Bauelemente oder werden durch sie überhaupt erst ermöglicht. Die Elektronik besitzt damit schon jetzt eine Schlüsselstellung in der Kfz-Wirtschaft mit einem großen wirtschaftlichen Potential für Europa und ganz besonders für Deutschland, denn den zweitgrößten Marktanteil bei Halbleitern hat nach wie vor der Sektor Automotive, der mit plus vier Prozent seinen Anteil auf 29 Prozent im Jahr 2005 leicht ausbauen konnte.

Deutschland hat seine Stärke in der Automobilelektronik. Eine tiefere Analyse der Jahre 2000 bis 2005 zeigt, dass dieser Bereich das einzige Segment mit einem positiven durchschnittlichen Wachstum in Deutschland von 6,1 Prozent und auch in Europa mit 11 Prozent ist. Nach wie vor wirkt sich die generell steigende Elektronikausstattung neuer Modellreihen besonders stimulierend aus, sagt Dr. Ulrich Schaefer, Vorsitzender der Fachgruppe Halbleiter-Bauelemente im ZVEI. Gute Aussichten also für die deutsche Automobilelektronik, die mit 4 Milliarden Dollar Umsatz gleichauf mit den USA und mehr als doppelt so groß wie die Asiens (außer Japan mit 4,25 Mrd. Dollar) ist. Auch der Rest Europas bringt es laut ZVEI nur“ auf 2,5 Milliarden Dollar

Elektronik senkt Emissionen und Kraftstoffverbrauch

Die Innovation wird durch den Ruf nach Reduzierung des Treibstoffverbrauchs getrieben, von Sicherheit und dem Bedürfnis nach steigendem Komfort. Aber auch der Gesetzgeber tut das seinige dazu, indem er Anreize schafft, die Emissionen zu senken. Etwa 70 elektronische Steuergeräte mit rund 13 000 passiven elektronischen Bauelementen verbergen sich mittlerweile in einem Oberklasse-Wagen, von der Motor- und Getriebesteuerung über die Bremsregelung bis hin zur Elektronik im Dachhimmel. Gemessen an den extrem hohen Anforderungen an die eingesetzten Baugruppen rangiert das Auto gleich hinter dem Verkehrsflugzeug“, ist Volker Schanz, Geschäftsführer der Informationstechnischen Gesellschaft im VDE (ITG), überzeugt. So müssen die elektronischen Bauelemente im Automobil Temperaturen zwischen –40 ?C und zum Teil +200 ?C aushalten (Bild 1). Außerdem sind Bauteile, die aus technischen Gründen nicht in hermetisch dichten Gehäusen eingebaut werden können, ständig wechselnder Luftfeuchtigkeit ausgesetzt. Die elektronischen Systeme in Fahrzeugen müssen zudem immun gegen starke Erschütterungen und Vibrationen sein.

Hochtemperaturelektronik ist entweder bei Applikationen vor Ort oder aufgrund zunehmender Leistungsdichte (kompakte Bauweise bzw. hoher Leistungsbedarf) erforderlich. Beispiele für solche Anwendungen sind elektronische Motor- und Getriebesteuerungen als Anbaugeräte, elektronisch geregelter Abgasturbolader, elektronisch geregelter Ventiltrieb beim Verbrennungsmotor, Ansteuerung von Einspritzventilen, elektrische Katalysatorheizung, elektronisch geregelte Abgasrückführung beim Dieselmotor, elektronische Bremsregelung, X-by-wire-Funktionen (elektrische Bremse, elektrische Lenkung) sowie Hybridfahrzeuge (Kombination von Verbrennungsmotor und Elektroantrieb). Bild 2 zeigt einige typische Anforderungen an die Automobilelektronik im Powertrain.

Die Elektronik nun ist die Schlüsseltechnologie, um Emissionen und Verbrauch von Verbrennungsmotoren weiter abzusenken. Die positive Wirkung der Automobil-Elektronik auf Verbrauch und Emissionen ist schon heute nachweisbar. Von der Einführung der ersten europäischen Abgasnorm (Euro I) im Jahr 1993 bis zur aktuellen Euro-IV-Norm wurden die Schadstoffe Kohlenmonoxid, Kohlenwasserstoff und Stickstoff um jeweils mehr als 95 Prozent reduziert.

Ziel der EU ist es, bis spätestens 2010 bei allen in der Europäischen Union vermarkteten neuen Personenkraftwagen eine durchschnittliche CO2-Emission von 120 g/km zu erreichen. Entsprechende Selbstverpflichtungen wurden mit dem europäischen Dachverband der Automobilhersteller (ACEA), der Japan Automobile Manufacturers’ Association (JAMA) und der Korean Automobile Manufacturers’ Association (KAMA) ausgehandelt, die allesamt das gleiche CO2-Emissionsziel von 140g CO2/km für in der Europäischen Union verkaufte neue Personenkraftwagen zum Ziel haben.

Dieses Ziel soll von JAMA und KAMA bis 2009 und vom ACEA bis 2008 erreicht werden, das heißt, die ab 2008/2009 neu auf den Markt gebrachten Personenkraftwagen werden im Schnitt etwa 5,8 l Benzin pro 100 km oder 5,25 l Diesel/100 km verbrauchen. Hybridfahrzeuge sind neben anderen Technologien eine Möglichkeit, diese Ziele zu erreichen.

Die Leistungsbauelemente schalten Ströme von bis zu einigen tausend Ampère. Die Wärme der dabei entstehenden Durchlass- und Schaltverluste muss auf kleinstem Raum abgeführt werden. Im höheren Leistungsbereich bis 3600 A sind Leistungsmodule vorherrschend. Auf die Bodenplatte sind Keramik-Substrate aufgelötet, die beidseitig mit Kupfer beschichtet sind. Auf der oberseitig strukturierten Kupferschicht sind die Silizium-Halbleiter aufgelötet und elektrisch mittels Drahtbonds mit der Kupferschicht verbunden (Bild 5). Als Keramik wird häufig Al2O3 verwendet, in einigen besonderen Fällen AlN und Si3N4. Die Bodenplatte besteht in den meisten Fällen aus Cu, in einigen speziellen Hochleistungsmodulen aus dem Verbundwerkstoff AlSiC oder Mo/Cu. AlSiC, das auch für Hybridfahrzeuge verwendet wird, findet sich in Modulen für Traktionsantriebe, die mit einer Betriebsdauer von bis zu 30 Jahren höhere Lebensdaueranforderungen haben als Hybridantriebe.