Vollständiger Titel der Projektskizze: Räumlich optimierte Herstellung eines Leistungsmoduls mittels stereolithografischer Multimaterialfertigung von keramischen 3D-Substraten mit eingebetteten leitfähigen Strukturen [MultiPower]
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Beschreibung
Zur Umsetzung klassischer leistungselektronischer Aufbauten (Wechselrichter, High Power LED) werden die eingesetzten Kühlkörper und Metall-Keramik-Substrate in langen Prozessketten getrennt voneinander gefertigt und durch einen anschließenden Fügeprozess (Kleben, Löten, Sintern) in Verbindung gebracht. Additive Fertigungsverfahren bieten Lösungen zur Verkürzung der Prozesskette. Leistungselektronische Aufbauten werden dabei meist durch Abfolge verschiedener Verfahren, beispielsweise PBF-LB/C ehemals SLS (selektives Lasersintern) zur Realisierung der keramischen und PBF-LB/M ehemals –SLM (selektives Laserschmelzen) zur Realisierung der metallischen Strukturen, hergestellt.
Ein ähnlicher zweistufiger Ansatz wurde im abgeschlossenen AiF-Vorhaben „Active Power“ verfolgt, indem erstmals keramische 3D-Substrate mit höherer Design-Freiheit additiv gefertigt und im Nachgang mittels Dispensen von Aktivlot funktionalisiert wurden.
Additive Multimaterialverfahren, die die gleichzeitige Verarbeitung mehrerer Werkstoffe innerhalb einer Schicht und damit eine weitere Reduktion der benötigen Prozessschritte und Vergrößerung der Designfreiheit erlauben, sind deshalb zur einstufigen Herstellung von Metall-Keramik-Verbunden von hohem Interesse und nach aktuellem Stand der Forschung kaum im Einsatz. Prinzipiell sind damit flexible Schichtstärken in Multilayer-Bauweise und durch Co-Verarbeitung von Metall und Keramik hohe Funktionsintegration in dem Substratkörper, exzellente Wärmeabfuhr und hinsichtlich (Gate- und Laststrompfad-)Induktivitäten geometrisch optimierte Leiterbahnführung realisierbar.
Die Eignung einer neuartigen stereolithographischen Multimaterial-Anlage (VPP, Vat Photopolymerization), welche die simultane Verarbeitung metallischer und keramischer Werkstoffe (Metall Keramik Substrate) bzw. Schlicker zum Aufbau leistungselektronischer Module ermöglicht, soll deshalb im angestrebten Projekt geprüft werden. Des Weiteren soll das VPP-Verfahren mit dem Einsatz von Piezo-Jet (PJ) Druck zur Aufbringung von leitenden Strukturen auf der Außenseite der gefertigten Baugruppe kombiniert werden, um zusätzliche Schaltungselemente, z.B. Widerstände und Temperatur-Sensoren, anzubinden. Aufgrund der größeren Flexibilität auf 3D-Oberflächen und feineren Strukturen stellt der PJ Druck eine ideale Ergänzung zum VPP-Verfahren dar.
Innerhalb des Projekts werden zunächst die eingesetzten Materialien wie leitfähige und keramische VPP-Schlicker und PJ-Tinten/Pasten, hinsichtlich ihrer Kompatibilität (Haftung, Benetzung) optimiert, um anschließend geeignete Prozessparameterfenster für VPP und PJ zu identifizieren. Dazu gehören der Entwurf und die Gestaltung eines geeigneten Schaltungslayouts, die Auswahl der Keramik-Leiterbahnkombination sowie die Entwicklung eines leitfähigen Schlickers. Zur Einstellung einer chemischen Verbindung zwischen Metall und Keramik muss das Leiterbahnmaterial auf den keramischen Grundkörper abgestimmt werden.
Zusammenfassend wird ein funktionales, leistungselektronisches Modul mit integrierter Kühlstruktur, integrierten Leiterbahnen in Multilayer Bauweise und außenliegender Funktionalisierung als Technologiedemonstrator aufgebaut und hinsichtlich der thermischen und elektrischen Performance charakterisiert sowie alternativen Aufbau- und Fertigungskonzepten gegenübergestellt. Die mechatronische Qualifizierung sowie die Optimierung des geometrischen Designs zur Verringerung von Spannungsspitzen und Leistungsverlusten erfolgen iterativ.
Abbildung 1: Designentwurf – Innovativer Aufbau (Seitenansicht) mit eingebetteten leitfähigen Strukturen und räumlicher Optimierung; Quelle: wbk Institut für Produktionstechnik, FAPS Lehrstuhl für Fertigungsautomatisierung und Produktionssystematik
Forschungsziel
Das Ziel des Forschungsvorhabens ist die mittels additiver Fertigung räumlich optimierte Herstellung eines leistungselektronischen Moduls mit eingebetteten leitfähigen Strukturen in einem keramischen Gehäuse zur Optimierung der Entwärmung, Minimierung der Gate-Pfad-Verluste und Erhöhung von Bauteilintegration und Funktionsdichte. Folgende wissenschaftliche Teilziele werden verfolgt:
- Entwicklung eines nach dem Sinterprozess leitfähigen Schlicker-Materials für die Multimaterial-Fertigung mit Keramik mit chemischer Bindung durch Titan-Additive
- Prozessstabilität der Multimaterialfertigung sowie des anschließenden Sinterns
- Prozessstabilität des PJ auf mittels VPP hergestellten 3D-Oberflächen aus AlN und Al2O3
- Optimierung der thermomechanischen Belastungen durch gezielte Design-Anpassung
Nutzen und wirtschaftliche Bedeutung für KMU
Die Fertigung von Metall-Keramik-Substrate für Leistungselektronik mittels konventioneller Verfahren ist unflexibel, jeder Designwechsel durch notwendige Werkzeug- und Prozessanpassungen investi-tionsintensiv. Innovationen im Packaging-Bereich werden deshalb verlangsamt und sind meist nur von Großunternehmen mit hoher Stückzahlausbringung wirtschaftlich realisierbar. Das angestrebte Forschungsprojekt legt den Grundstein für hochflexible Leistungselektronikfertigung, auf Basis von VPP und PJ, mit einem Minimum an Zulieferteilen und notwendigen Fertigungsanlagen. KMUs wird damit der Weg in den kundenspezifischen Leistungselektronik-Aufbau geebnet und Entwicklungs-schleifen verkürzt, dank eigener Anlagen oder Anbietern zur additiven Fertigung in Dienstleistung.
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