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Die Silizium-Technologie legt weiter zu

| Redakteur: Gerd Kucera

95% aller leistungselektronischen Anwendungen basieren auf der Silizium-Technik. Um gerade für Europa die Innovation bei Silizium-basierten Leistungshalbleitern zu stärken, wurde die Förderinitiative Power2Power gestartet.

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Rohmaterial: Der IGBT auf Siliziumbasis das Zugpferd der Leistungselektronik.
Rohmaterial: Der IGBT auf Siliziumbasis das Zugpferd der Leistungselektronik.
(Bild: Gerd Kucera)

Mit den wachsenden Ansprüchen an die Energieversorgung steigen die Anforderungen an die notwendigen Systemkomponenten, insbesondere an die Leistungshalbleiter für die verlustarme Energiewandlung und Energieübertragung. Europa und gerade Deutschland besitzen laut Bundesministerium für Bildung und Forschung (BMBF) besondere Stärken, etwa bei Energie sparender Leistungselektronik.

Doch die Entwicklung und Herstellung geeigneter Bauelemente auf Basis von Silizium-Wafern könne in Europa einen Innovationsschub gebrauchen, formulierte das BMBF vor einem Jahr. Die EU startete das Projekt Power2Power. 43 Technologie-Partner in acht Ländern sollen bis Mai 2022 neue Lösungen erarbeiten. Dazu gehört im ersten Schritt eine neue qualifizierte Technologie für Silizium-IGBTs oberhalb 1700 V, gefertigt auf 300-mm-Wafern. Zur „Entwicklung von Silizium-Leistungselektronik der nächsten Generation für Mobilität, Industrie und Stromnetze der CO2-freien Ära“ (BMBF) gibt es bis zum Projektende eine Förderung von 74,26 Mio. €.

Silizium-IGBTs als Zugpferd der Leistungselektronik

Glaubt man den Marktanalysten, dann basieren etwa 95% aller leistungselektronischen Anwendungen auf Silizium-Technik. Hierin ist der Silizium-IGBT das Zugpferd der Leistungselektronik. Das Marktwachstum für diskrete IGBTs und IGBT-Module wird mit etwa 15% jährlich beziffert. Die IGBT-Performance muss also entsprechend den wachsenden Anforderungen neuer Anwendungen steigen, denn nur dann kann sie auch den erfolgreicher werdenden Wide-Bandgap-Pendants Paroli bieten.

Die Junction-Temperatur wird auf 200 °C spezifiziert, was eine Steigerung der Leistungsdichte um 20% ermöglichen soll. Um die nahezu äquivalente Kostensituation im Vergleich zu konventionellen Leistungsbausteinen zu erreichen, stehen die Aufbau- und Verbindungstechnik und die Silizium-Massenfertigungstechnik gleichfalls im Fokus der Forschung in Europa.

„Wer denkt, bei Silizium-Bauelementen gäbe es keine Fortschritte mehr, der täuscht sich“, sagt Professor Dr. Josef Lutz von der TU Chemnitz, „die Silizium-Technologie ist weniger aufwändig und entwickelt sich schnell. Hersteller von Siliziumkarbid-Leistungshalbleitern müssen sich warm anziehen.“

Deutsche Standorte Zugpferde für innovative Leistungselektronik

Alle Partner von „Power2Power“ werden in mehreren Wertschöpfungsstufen an deutschen Standorten Pilotlinien für die Fertigung innovativer und zukunftsfähiger Leistungselektronik aufbauen. Die TU Chemnitz ist beteiligt an den Arbeiten zur Verbesserung von Zuverlässigkeit und Robustheit der zukünftigen Leistungselektronik im Bereich der IGBTs. Diese spannungsgesteuerten Transistoren sind essentiell für die Leistungselektronik etwa zur Motorregelung, in Windkraftanlagen und Elektrofahrzeugen. Die Arbeiten vieler europäischer Partnerinnen und Partner in dem Teilgebiet werden durch das Fraunhofer-Institut ENAS in Chemnitz koordiniert.

„Robustheit bedeutet, dass der Leistungshalbleiter auch Überlastfälle und unvorhergesehene Zustände wie einen Kurzschluss überstehen kann, ohne auszufallen. Zuverlässigkeit bedeutet also zu gewährleisten, dass alle möglichen Fehlerfälle bekannt sind, ihr Auftreten berechenbar ist und sich das System so auslegen lässt, dass diese Fehlerfälle auf ein Minimum reduziert werden“, erklärt Projektpartner Prof. Dr. Josef Lutz und Mitinhaber der Professur Leistungselektronik an der TU Chemnitz. „Hierzu müssen insbesondere auch Mechanismen der Materialermüdung experimentell erforscht werden, ihre Gesetze verstanden und entsprechende Regeln für die Auslegung bekannt sein.“ Immer mehr in einer Gesellschaft mit hochwertiger Technik hängt von der Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ab – beispielsweise Sicherheit beim Fahren und sicheres Arbeiten von Anlagen in der Stromversorgung. Erste Erfolge im europäischen Verbundprojekt Power2Power werden inzwischen sichtbar.

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