Ausgabe 5 /2013 - technik + EINKAUF

TECHNIK ELEKTRONIKPower-Chips: Echt heiß!Leistungselektronik im Zeichen der Nachhaltigkeitund Energie-EffizienzRegenerative Energiegewinnung, Smart Grids, Energieeffizienz oder Consumer Electronics– sie alle sind Zukunftsmärkte und sie alle haben eines gemein: Sie benötigenimmer mehr Leistungselektronik. Die Leistungselektronik hat sich in den letzten Jahrendynamisch weiterentwickelt und gehört heute zu den Schlüsseltechniken hinsichtlichEnergieeinsparung und Energieeffizienz.Der anhaltende Boom der Leistungselektronikin Elektromobilität und erneuerbarenEnergien aber auch der vermehrte Einsatzvon Hochleistungs-LEDs hält die gesamteWertschöpfungskette auf Trab. Als Querschnittstechnologiehat die Leistungselektronik eine Schlüsselrolle invielfältigen Anwendungen inne. Von Milliwatt bis hin zuGigawatt besteht ihre Funktion darin, mittels Halbleiterbauelementendie elektrische Energie möglichst effizientin die von den verschiedenen Anwendungen benötigteForm umzuwandeln und den Leistungsfluss zu steuern.Das hat Auswirkungen nicht nur auf die Halbleiter. Überdie Produktion von elektronischen Baugruppen undLeistungsmodulen bis hin zur intelligenten Antriebstechniksind Herausforderungen zu meistern.Die Megatrends unserer gesellschaftlichen Entwicklungtreiben die Entwicklungen neuartiger Technologienund Materialien voran. Die Devise lautet: höher, schneller,kleiner. Oder anders formuliert: Höhere Betriebstemperatur,größere Schaltfrequenz, kleinere Preise. Solassen die kontinuierlichen Fortschritte auf dem Gebietder Hybrid- und Elektroautos nicht nur die Nachfragenach Leistungselektronik nach oben schnellen, sondernfordern die Halbleiterhersteller zunehmend heraus. Emsigarbeiten sie an der Erhöhung von Wirkungsgrad,Leistungsdichte und Nennleistung sowie einem erweitertenBetriebstemperaturbereich von Leistungshalbleitern.Thermisch stabile elektrische Eigenschaften undeine hohe Sperrspannung sollten sie zudem offenbaren.Leistungshalbleiter auf Siliziumbasis geraten hier zunehmendan ihre physikalischen Grenzen, doch mitVerbund halbleiterwerkstoffen wie etwa Siliziumkarbid(SiC) und Galliumnitrid (GaN) ergeben sich neue Möglichkeiten,diese Parameter gravierend zu verbessern.Hürden in der BaugruppenfertigungElektroauto, Smart Grid, LED-Leuchten, alleine diesedrei Anwendungsfelder zeigen das immense Potenzial,aber auch die Herausforderungen, denen sich leistungselektronischeBaugruppen künftig stellen müssen. Beider Erreichung höherer Schaltfrequenzen und steigendenEnergiedichten stellt die heutige Aufbau- und Verbindungstechnikden limitierenden Faktor dar: DieKombination von Steuer- und Leistungselektronik aufeinem Bord stellt hohe Anforderungen an Design, Materialienund Prozesse. Innovationen bei den Leiterplattenspielen eine zentrale Rolle bei der Weiterentwicklungvon Leistungsbaugruppen. Es gilt die Stromtragfähigkeitzu verbessern, die Integration von Bauelementen voranzutreibenund für ein effizientes Entwärmungskonzeptgenauso zu sorgen wie den EMV-Schutz sicherzustellenund die Zuverlässigkeit bei mechanischen Beanspruchungenzu erhöhen. Darüber hinaus müssen elektronischeBaugruppen höheren Betriebstemperaturen bzw.häufigen Temperaturwechseln trotzen.Hohe Ströme über die Leiterplatte zu führen setztzwingend ein effizientes Wärmemanagement voraus. Diesteigende Komplexität von elektronischen und elektrischenBaugruppen auf der einen Seite und die fortlaufendeMiniaturisierung auf der anderen Seite stellen hoheAnsprüche an die Entwicklung von Leistungselektronik.Ein universelles Entwärmungskonzept gibt es nicht.Hohe Ströme von 100 A und mehr sicher über das Boardzu führen ist eine Herausforderung für Layout-Spezialisten.Dabei eine lokale Überhitzung durch Leistungshalbleiterzu vermeiden ist unabdingbar. Mit der Vielfalt derAnforderungen der Hochstrom- und Hochvolt-Applikationenkommen immer komplexer werdende Leistungshalbleiterzum Einsatz, die hohe Verlustwärme erzeugen.Die gilt es schnell abzuführen. Doch die hohen Strömeund infolgedessen die größeren Querschnitte der Kupferleiterbahnenbenötigen Platz. Und der ist auf miniaturisiertenBoards eher Mangelware.Hinzu kommt, dass mit der fortschreitenden Miniaturisierungvon Steuer- und Regelschaltungen auchempfindliche SMT-Bauteile auf die gleiche Leiterplatteverbunden werden müssen, auf der hohe Ströme fließen.Dies stellt die Entwickler vor verschiedene Herausforderungen.Zum einen müssen die Leitungsquerschnitte sogroßzügig wie möglich dimensioniert sein, damit esnicht zu einer Überhitzung bei den Leitungen mit hohenStrömen kommt. Zum anderen sind Sicherheitsabständezu sensiblen Leitungen der Regelschaltung einzuhalten.Verschiedene Leistungselektronik-taugliche Leiterplattentechnologiengibt es bereits. Von Dickkupfer, Metallkern-Leiterplatten(IMS, Insulated Metal Substrate),Inlay-Technologien, gezielt in die Platine integriertemassive Kupferelemente (HSMtec) bis hin zur Integrationvon Kühlkanälen, die der aktiven Kühlung dienen,und dem Einbetten von Komponenten zur weiteren Mi-56 05/2013