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Von Anfang an prüfen

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Werden Thermografiekameras bereits im Entwicklungsprozess elektronischer Bauteile und Schaltungen eingesetzt, entstehen früh valide Daten über die Wärmeentwicklung in den Komponenten. Dies erlaubt Rückschlüsse auf Leistungsfähigkeit und Energieeffizienz eines Moduls.

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.


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  2. Thermografie im Einsatz für die Leistungselektronik

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