Kundenindividuelle Herstellung hochintegrierter elektronischer 3D-Leistungsmodule mittels badbasierter Multimaterial-Photopolymerisation, pulverbett-basiertem Laserstrahlschmelzen und selektiver Piezojet-Metallisierung.
Laufzeit: 01.04.2023 – 31.07.2025
Beschreibung
Zur Umsetzung klassischer leistungselektronischer Aufbauten wie Wechselrichter oder High-Power-LED-Module werden die eingesetzten Kühlkörper und Metall-Keramik-Substrate bislang in getrennten, langen Prozessketten gefertigt und anschließend über Fügeprozesse wie Kleben, Löten oder Sintern verbunden. Im Rahmen des Projekts wurde gezeigt, dass additive Fertigungsverfahren diese Prozessketten signifikant verkürzen können, indem das keramische Substrat als Kühlkörper genutzt wird. Die leistungselektronischen Aufbauten wurden dabei erfolgreich durch eine kombinierte additive Fertigungsstrategie realisiert, bei der keramische und metallische Strukturen funktionsgerecht integriert hergestellt wurden.
Ausgangspunkt waren thermo-mechanisch optimierte Designs der Module, die simulativ mittels Finite Elemente Methode (FEM) entworfen wurden. Aufbauend auf früheren zweistufigen Ansätzen, wie sie beispielsweise im anderen abgeschlossenen AiF-Vorhaben „Active Power“ verfolgt wurden, konnte im vorliegenden Projekt ein weiterentwickelter Multimaterialansatz umgesetzt werden. Erstmals wurden Metall-Keramik-Verbunde in einer Anlage gefertigt, indem metallische und keramische Werkstoffe innerhalb eines Bauteils additiv kombiniert verarbeitet wurden. Dadurch ließ sich die Anzahl der notwendigen Prozessschritte weiter reduzieren und die Designfreiheit deutlich erhöhen. Flexible Schichtstärken in Multilayer-Bauweise sowie geometrisch optimierte Leiterbahnführungen konnten realisiert werden.
Die Eignung einer neuartigen stereolithographischen Multimaterial-Anlage auf Basis des Prozesses Vat Photopolymerization (VPP) zur simultanen Verarbeitung metallischer und keramischer Schlicker wurde erfolgreich nachgewiesen. Alternativ dazu wurde das selektive Laserschmelzen (L-PBF) eingesetzt, um mittels VPP hergestellte keramische Substrate oberflächig zu metallisieren. Ergänzend wurde der Piezo-Jet-Druck (PJ) verwendet, um leitfähige Strukturen auf den Außenflächen der gefertigten Baugruppen zur Anbindung von bspw. Temperatursensoren aufzubringen.
Im Projektverlauf wurden die eingesetzten Materialien, leitfähige und keramische VPP-Schlicker, PJ-Tinten und -Pasten sowie unterschiedliches Kupferpulver im PBF-LB, hinsichtlich ihrer Kompatibilität systematisch untersucht und optimiert. Haftung, Benetzung und chemische Bindung zwischen Metall und Keramik wurden gezielt eingestellt. Darauf aufbauend konnten geeignete Prozessparameterfenster für alle Verfahren identifiziert werden. Dies umfasste den Entwurf eines geeigneten Schaltungslayouts, die Auswahl kompatibler Keramik-Leiterbahn-Kombinationen sowie die gezielte Weiterentwicklung des elektrisch leitfähigen Materials hinsichtlich seiner physikalisch-chemischen Eigenschaften, um eine stabile und belastbare chemische Anbindung an den keramischen Grundkörper sicherzustellen.
Abschließend wurde ein Technologiedemonstrator zur Darstellung der erarbeiteten Prozesse realisiert. Die mechatronische Qualifizierung sowie die Optimierung des geometrischen Designs zur Reduktion von Spannungsspitzen und Leistungsverlusten erfolgten iterativ und bestätigten die Leistungsfähigkeit des entwickelten additiven Gesamtkonzepts.
Forschungsziel
Im Rahmen des AiF-Projekts MultiPower wurde am wbk Institut für Produktionstechnik des Karlsruher Institut für Technologie (KIT) in Zusammenarbeit mit dem Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS) an der Friedrich-Alexander Universität Erlangen-Nürnberg die kundenindividuelle Herstellung hochintegrierter Metall-Keramik-Verbunde für elektronische Leistungsmodule untersucht. Ziel war es, dreidimensionale Metall-Keramik-Verbundkörper als Schaltungsträger vollständig additiv herzustellen und durch dreidimensionale Kühlstrukturen eine gute Entwärmung der Bauteile zu ermöglichen. Damit soll die Prozesskette verkürzt und flexibilisiert werden.
Im Rahmen des Projekts wurden die Verbundkörper auf zwei unterschiedlichen Arten hergestellt:
- Herstellung keramischer Grundkörper mittels badbasierter Photopolymerisation (VPP-LED) und anschließende Metallisierung mittels selektivem Schmelzen (PBF-LB) und mittels Piezojet-Verfahrens
- Herstellung von Metall-Keramik-Verbundbauteilen durch die neuartige Multi-Material-VPP-Technologie
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Das Forschungsprojekt adressierte gezielt die wirtschaftlichen Chancen additiver Fertigung im Bereich metall-keramischer Substrate und integrierter Kühlstrukturen. Im Vergleich zu konventionellen Herstellungsverfahren mit hohem Maschinen-, Energie- und Investitionsbedarf senken additive Technologien wie VPP, PBF-LB/M und Piezojet die Einstiegshürden erheblich. Der reduzierte Maschinenpark, die werkzeuglose Fertigung und kurze Entwicklungszyklen ermöglichen KMU den Zugang zu einem bislang von wenigen Global Playern dominierten Markt.
Insbesondere der Trend zu applikationsspezifischen und individualisierten Leistungselektronikmodulen eröffnet wirtschaftlich attraktive Nischenmärkte mit geringeren Stückzahlen, in denen additive Ansätze ihre Vorteile ausspielen. Dazu zählen unter anderem Sondermaschinenbau, Hochleistungs-LED-Applikationen, Kleinserien in der elektrifizierten Luftfahrt oder im Automobil-Sportbereich sowie der schnelle und kosteneffiziente Prototypenbau. Die hohe geometrische und fertigungstechnische Flexibilität steigert zudem das Innovationspotenzial von KMU erheblich, da neue Packaging-Konzepte, Kühlstrukturen und Schaltungslayouts schnell und zielgerichtet umgesetzt werden können. Auf Basis der Projektergebnisse wird somit eine wirtschaftliche, kleinvolumige Fertigung hochbelastbarer Leistungselektronik, Beleuchtungstechnik und Sensorik ermöglicht und die Wettbewerbsfähigkeit von KMU nachhaltig gestärkt.
Forschungsinstitute
Für weitere Kontaktdaten, kontaktieren Sie bitte die Geschäftsstelle. E-Mail an Geschäftsstelle
Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik (FAPS)
Karlsruher Institut für Technologie
wbk Institut für Produktionstechnik
Dokumente
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