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29.10.2019 | Funktionswerkstoffe | Im Fokus | Onlineartikel

Siliziumkarbid auf neuen Wegen

Autor:
Dieter Beste

Seit 2010 fördert das Bundesforschungsministerium die Entwicklung von Mikrochips aus Siliziumkarbid. Jetzt ist es endlich soweit. Der Hersteller Bosch hat angekündigt, die neuen Halbleiter produzieren zu wollen.

Siliziumkarbid (SiC) ist in der Technik als keramischer Hartstoff und als Werkstoff bekannt, der bei hohen Temperaturen einsetzbar ist. Beispielsweise in Triebwerken, bei denen eine Steigerung des Wirkungsgrades durch die Steigerung der Gaseinlasstemperatur in der Turbine erreichbar ist. Hier bislang übliche Nickellegierungen für den Hochtemperaturbereich wollen die Ingenieure künftig durch leichtere Verbundwerkstoffe ersetzen, zum Beispiel durch Metallmatrixcomposite (MMC) wie Titanlegierungen, die sich mit Fasern aus Siliziumkarbid verstärken lassen, wie die Springer-Autoren Hansgeorg Hofmann und Jürgen Spindler in "Aktuelle Werkstoffe" erläutern (Seite 80). "Bei Metallmatrix-Faserverbunden … führt bei einem mit 20% Siliziumkarbidfasern verstärktem Aluminiumwerkstoff erst eine doppelt so hohe Spannung zur gleichen Versagenszyklenzahl wie beim unverstärkten Werkstoff", berichten die Springer-Autoren Joachim Rösler, Harald Harders und Martin Bäker in "Mechanisches Verhalten der Werkstoffe", Seite 375.

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Seit einiger Zeit wird das Material jedoch auch in der Elektrotechnik interessant. "Aus Siliziumkarbid … lassen sich blau leuchtende LEDs herstellen", berichten die Springer-Autoren Thomas Harriehausen und Dieter Schwarzenau in "Moeller Grundlagen der Elektrotechnik", Seite 677. Am Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM) wollen Forscher jetzt SiC als Leistungshalbleiter für die industrielle Fertigung qualifizieren – und damit "das E-Auto auf die Überholspur setzen", wie es in einer Mitteilung des Instituts heißt.

Wie schnell zum Beispiel ein E-Auto fahren und welche Strecken man damit maximal zurücklegen kann, hängt von der eingebauten Leistungselektronik ab – dem Herz der Elektromobilität. Hier sind laut IZM drei Faktoren entscheidend: Platz, Gewicht und Wirkungsgrad. Das Halbleitermaterial Siliziumkarbid erfülle diese Anforderungen optimal, denn es habe einen höheren Wirkungsgrad und könne kompakter verbaut werden als gängige Halbleiter aus bloßem Silizium. Das Bundesforschungsministerium fördert die SiC-Entwicklung seit etwa zehn Jahren, aktuell bis 2020 über das Rahmenprogramm "Mikroelektronik aus Deutschland – Innovationstreiber der Digitalisierung". Der große Einsatz der Forscher habe sich gelohnt, sagte Bundesforschungsministerin Anja Karliczek Anfang Oktober: "Der Transfer von der Forschung in die Praxis ist gelungen. Bosch bringt nun Siliziumkarbid in Serie."

Industrielle Fertigung ist die Richtschnur

Laut IZM fahren bereits vereinzelt E-Autos mit SiC-Halbleitern, doch bestehe hier noch erhebliches Potenzial, die Effizienz des SiC voll auszuschöpfen, sagt Lars Böttcher, Gruppenleiter IZM und Teilprojektleiter für das vom BMBF geförderte SiC-Modul-Projekt. Der Schlüssel für den Erfolg von SiC liege im Packaging der Halbleiter. Um das Material auch für die großtechnische Fertigung zu verwenden, würden in dem aktuellen Projekt Rahmenbedingungen aus der Industrie von Anfang an bedacht. Zum Beispiel beruhe das Modul, welches in dem Projekt entwickelt wird, auf einem klassischen Leiterplattenaufbau, wie er in der Industrie bereits etabliert und leicht umsetzbar sei. Gleichzeitig würden in dem Modul die neuesten Erkenntnisse aus der Forschung verbaut: Der Halbleiter werde nicht mit einer Drahtbondverbindung kontaktiert, sondern direkt über einen galvanisch hergestellten Kupferkontakt in die Schaltung eingebettet, so dass die Kabellänge verkürzt und die Leistungsführung optimiert werden könne.

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