Die Energieeffizienz von Elektronikbauteilen spielt in zahlreichen Anwendungsfeldern eine immer wichtigere Rolle. Und nicht nur das: Gefragt sind immer schnellere aktive Komponenten, höhere Leistungsdichten von miniaturisierten Systemen sowie absolute Zuverlässigkeit. Hinzu kommen der Anspruch an eine umweltbewusste Ressourcenbeschaffung und die Forderung, dass die Leistungssteigerung von Modulen parallel zum geringeren Energieverbrauch ablaufen soll.

Seit über 50 Jahren setzt die Elektronik-industrie daher auf Silizium (Si); in den vergangenen Jahren erreichte die siliziumbasierte Mikroelektronik immer wieder neue Leistungsspitzen. Die Zahl der Transistoren auf einem Chip verdoppelte sich fast alle zwei Jahre und somit auch die Rechenleistung der Prozessoren. Doch die Grenzen sind so gut wie erreicht. Aus diesem Grund beschäftigen sich das Institut für Elektrotechnik und Informationstechnik (ET&IT) sowie das Institut für Materialwissenschaft der Technischen Fakultät der Christian-Albrechts-Universität zu Kiel (CAU Kiel) mit neuen Halbleitermaterialien. Forschungsthemen dieser Fakultät sind unter anderem Erneuerbare Energien, Sensorik und Elektromobilität.

Zukünftige Halbleitermaterialien

Leistungsstärkere Halbleitermaterialien sind die Voraussetzung für den Elektronikmarkt der Zukunft allgemein und im Besonderen für die Leistungselektronik. Konkret gefordert sind leistungsstärkere Halbleitermaterialien für zugleich deutlich kleinere Bauteile. Aus diesem Grund laufen Leistungshalbleiter wie Galliumnitrid (GaN) und Siliziumkarbid (SiC) dem bisher eingesetzten Silizium (Si) den Rang ab. Vor allem GaN-Transistoren ermöglichen eine kleinere Baugröße und erzeugen potenziell geringere Kosten. Sie haben einen deutlich niedrigeren Leitwiderstand bei gleicher Größe der elektronischen Bauteile und erreichen schnellere Kommutierungen, was wiederum geringere Schaltverluste zum Ergebnis hat. Die fehlende Umkehr-Erholungsladung ermöglicht zudem eine höhere Frequenz und Leistungsdichte. Alle genannten Faktoren bieten eine signifikant höhere Energieeffizienz als siliziumbasierte Technologien.

Doch daneben ändern sich mit dieser Leistungssteigerung bei gleichzeitig fortschreitender Miniaturisierung die Anforderungen im Bereich der Forschung und Entwicklung der Leistungselektronik. Vor allem die Temperatur wird noch stärker zum kritischen Parameter für alle Leistungssysteme. GaN-basierte Powermodule operieren beispielsweise bei Temperaturen bis +600 °C – höher als bei der sonstigen Elektronik auf Siliziumbasis. Damit die einzelnen Elemente dem hohen thermischen Stress standhalten und nicht vorzeitig ausfallen, ist das thermische Management extrem wichtig. Die GaN-Transistoren operieren mit sehr hohen Schaltfrequenzen, sodass sich auch die Temperaturen schnell zyklisch verhalten. Dies stellt hohe Anforderungen an die Technik, die zur Überwachung und/oder Prozessoptimierung eingesetzt wird.

Thermografie im Einsatz für die Leistungselektronik

Auf Grundlage der durch Thermografie gewonnenen Erkenntnisse sollen hochfrequenztaugliche Komponenten und Materialien entwickelt werden, die eine derart hohe thermische Belastung aushalten. Da sowohl die Elektronikbauteile als auch die Transistoren sehr klein sind, muss die zum Einsatz kommende Wärmebildkamera einige Voraussetzungen erfüllen.

Messaufbau zur Untersuchung verschiedener Halbleitermaterialien im Labor der CAU Kiel.

© CAU Kiel

Für die CAU wurde ein für diesen Zweck geeigneter Messaufbau konzipiert, der ein gekühltes Thermografiesystem der Wärmebildkamera-Serie ‚ImageIR‘ von Infratec nutzt. Mit ihrer hohen thermischen Auflösung von bis zu 20 mK detektiert sie bereits kleinste Temperaturveränderungen und löst dank ihrer 50 mm Optik zusammen mit einer speziellen Close-up Optik in diesem Anwendungsfall Strukturen von unter 50 μm Größe auf. Die Wärmebildkamera verfügt über einen gekühlten Photonendetektor und ermöglicht dadurch die Abbildung besonders schneller Prozesse. Schaltspitzen können somit problemlos analysiert werden. Die berührungslose Messung erfolgt zerstörungsfrei und ermöglicht das Erkennen mehrerer kritischer Stellen, da das vollständige Objekt bildhaft dargestellt wird. Die Kamera lässt sich über das mitgelieferte Software Development Kit (SDK) von Infratec an die vorhandene ‚Matlab‘-Steuerung anbinden.

Forschung an der CAU in Kiel

An der Technischen Fakultät der CAU werden die Veränderungen und Entwicklungen von Temperaturen und deren Verteilung bei verschiedenen Halbleitermaterialien im Bereich der Leistungselektronik erforscht, um Prozesse und Techniken zu optimieren. Im Speziellen geht es dabei um ‚U-Heart‘ – ein Konzept von isolierten DC-DC-Konvertern (Gleichspannungswandlern) mit mehreren Anschlüssen. Es ist mit einer Fehlererkennungsschaltung ausgestattet, die eine erkannte fehlerhafte Zelle von der Leistungsübertragung ausschließt.

Thermografiesystem der Wärmebildkamera-Serie ‚ImageIR‘ von Infratec

© CAU Kiel

Für Bereiche, in denen die Aufrechterhaltung des Betriebs aller Zellen erforderlich ist, werden Selbstheilungsansätze entwickelt, um den Betrieb aller Zellen zu erhalten und bei voller Leistung weiterzuarbeiten. U-Heart ist eine ERC-Förderung zum Konzeptnachweis für einen wartungsfreundlichen Stromrichter und kann als Multi-Port-Konverter für den Anschluss mehrerer Spannungsnetze verwendet werden, zum Beispiel für Energiespeicher (Batterien, Superkondensatoren), erneuerbare Energiequellen (Solar-PV-Module, Brennstoffzellen) und DC-Lasten. Bei der Entwicklung dieses Energie-Superstars kamen auch durch Thermografie gewonnene Erkenntnisse aus dem Vorgängerprojekt Heart (ERC-Grant) zum Tragen.

Der Autor
Jens Vogt ist Leiter Internationaler Vertrieb bei Infratec in Dresden.