Thermomechanisch optimierter Entwurf und Herstellungsprozess kundenspezifischer leistungselektronischer Substrate mit integrierter Kühlstruktur durch innovatives Design und badbasierte Multimaterial-Fertigung
Laufzeit: 01.07.2026-30.06.2028
Beschreibung
Die zunehmende Elektrifizierung, der Einsatz von Wide-Bandgap-Halbleitern und steigende Anforderungen an Effizienz und Leistungsdichte stellen die Leistungselektronik vor neue technologische Herausforderungen. Konventionelle Substrat- und Kühlkonzepte wie Direct Copper Bonding (DCB) oder Active Metal Brazing (AMB) stoßen aufgrund begrenzter Gestaltungsfreiheit sowie hoher thermomechanischer Belastungen zunehmend an ihre Grenzen. Insbesondere bei kompakten und hochintegrierten Systemen in Bereichen wie Elektromobilität, erneuerbaren Energien, Luftfahrt und Energietechnik werden daher neue Fertigungsansätze benötigt, die eine effiziente Wärmeabfuhr, geringe elektrische Verluste und eine hohe Zuverlässigkeit ermöglichen.
Das Projekt entwickelt einen additiven Multimaterial-Ansatz auf Basis der badbasierten Photopolymerisation (VPP) zur direkten Herstellung von hochintegrierten Kupfer-Keramik-Leistungsmodulen. Durch die gemeinsame Verarbeitung elektrisch isolierender Hochleistungskeramiken mit metallischen Leiterstrukturen sollen Substrat, elektrische Funktionalität und thermische Managementstrukturen in einem integrierten Fertigungsprozess realisiert werden. Dadurch werden neue dreidimensionale Bauteilarchitekturen mit optimierten Leiterbahnführungen, variablen Schichtaufbauten und individuell angepassten Kühlstrukturen ermöglicht, die mit konventionellen Fertigungsverfahren nur eingeschränkt oder nicht wirtschaftlich umsetzbar sind.
Zur Umsetzung werden Material-, Prozess- und Designstrategien gezielt miteinander verknüpft. Hierzu werden keramische und metallische Schlickersysteme weiterentwickelt, Sinterstrategien zur gemeinsamen thermischen Nachbehandlung untersucht und Maßnahmen zur Kompensation unterschiedlicher Schrumpfungs- und Ausdehnungsverhalten entwickelt. Ergänzend werden simulationsgestützte Methoden eingesetzt, um thermische und thermo-mechanische Belastungen bereits in der Entwicklungsphase zu bewerten und optimierte Geometrien mittels Topologieoptimierung abzuleiten.
Die entwickelten Materialsysteme und Bauteilkonzepte werden durch umfangreiche Charakterisierung, thermische und mechanische Prüfungen sowie Lebensdauertests validiert. Auf dieser Grundlage entstehen Designrichtlinien für additiv gefertigte Metall-Keramik-Verbunde und ein übertragbares Konzept zur zuverlässigen Auslegung zukünftiger Leistungselektronik-Module. Die Kombination aus werkzeugloser Fertigung, hoher Designfreiheit und funktionsintegrierten Bauteilen ermöglicht insbesondere KMU eine flexible und wirtschaftliche Entwicklung kundenspezifischer Lösungen und stärkt deren Wettbewerbsfähigkeit in zukunftsorientierten Technologiefeldern.
Forschungsziel
Ziel des Forschungsvorhabens ist die Entwicklung eines additiv gefertigten, simulationsgestützt optimierten Kupfer-Keramik-Leistungsmoduls mittels badbasierter Photopolymerisation (VPP), das durch material-, prozess- und designseitige Anpassungen eine verbesserte thermische, elektrische und thermo-mechanische Performance ermöglicht. Hierzu werden neue Schlicker- und Sinterstrategien für die gemeinsame Verarbeitung keramischer und metallischer Werkstoffe entwickelt, geeignete Bauteilgeometrien durch Simulation und Topologieoptimierung abgeleitet sowie deren Zuverlässigkeit durch experimentelle Prüfungen und Lebensdauermodelle validiert. Dadurch sollen erstmals Designrichtlinien für hochintegrierte, langlebige Metall-Keramik-Verbunde geschaffen und die Potenziale der additiven Multimaterialfertigung für zukünftige Leistungselektronikanwendungen nutzbar gemacht werden.
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
- Zugang zu innovativer Substrat- und Kühltechnologie: Entwicklung einer werkzeuglosen, additiven Fertigungstechnologie für funktionsintegrierte Kupfer-Keramik-Bauteile ermöglicht die Herstellung individuell optimierter Leistungselektronik-Komponenten.
- Reduzierte Entwicklungs- und Fertigungskosten: Entfall komplexer Werkzeug- und Prozessketten ermöglicht eine wirtschaftliche Prototypen-, Vorserien- und Kleinserienfertigung mit verkürzten Entwicklungszeiten.
- Erhöhte Designfreiheit und Individualisierung: Additive Multimaterial-Fertigung erlaubt die Umsetzung kundenspezifischer Geometrien, integrierter Kühlstrukturen und optimierter Leiterbahnlayouts ohne kostenintensive Prozessanpassungen.
- Neue Geschäftsfelder und Wertschöpfungsketten: Die Technologie eröffnet neue Marktchancen in den Bereichen Leistungselektronik, Elektromobilität, erneuerbare Energien, Luftfahrt und Medizintechnik.
- Verbesserte Produktperformance: Durch optimierte thermische und elektrische Eigenschaften können kompaktere, leistungsfähigere und zuverlässigere elektronische Systeme entwickelt werden.
- Ressourcen- und Energieeffizienz: Funktionsintegration, reduzierte Materialmengen und langlebigere Bauteile unterstützen nachhaltige Produktlösungen und senken den ökologischen Fußabdruck.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
- Karlsruher Institut für Technologie (KIT) – wbk Institut für Produktionstechnik
- FAU Erlangen-Nürnberg – Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Dokumente
Hier werden die Berichte zum Forschungsprojekt erscheinen.
Falls Sie noch kein Mitglied sind, finden Sie hier Informationen zur Mitgliedschaft.
Weitere aktuelle Projekte finden Sie hier.
