TU Chemnitz bringt Expertise in bundesgefördertes Verbundprojekt zur Weiterentwicklung der Elektromobilität ein

Als Partner des vom Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz geförderten Projektes „KuSIn“ erprobt die TUC u. a. Verfahren zur Effizienzsteigerung in der Fertigung von Antriebssträngen für Elektrofahrzeuge

Die Professur Umformendes Formgeben und Fügen (UFF) der Technischen Universität Chemnitz (TUC) ist Teil des auf drei Jahre ausgelegten Verbundvorhabens „KuSin – Kupfer-Sinterprozesse mittels Induktionserwärmung zur Anwendung im Bereich Elektromobilität“. Das Vorhaben ist mit einem Volumen von 3,33 Millionen Euro ausgestattet und wird durch das Bundesministerium für Wirtschaft und Klimaschutz (BMWK) im Rahmen des Förderprogramms „Elektro-Mobil“ (Förderkennzeichen: 01MV23006E) gefördert. Unter der Federführung von Vitesco Technologies beteiligen sich neben der TUC noch Heraeus Electronics, Budatec sowie die Fraunhofer-Institute für Elektronische Nanosysteme (ENAS) und Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen (IMWS) an dem Vorhaben, das im Juli 2023 gestartet ist. TUC-seitig bringen Forscherinnen und Forscher der Professur UFF ihre durch eine Vielzahl an Projekten und Fachveröffentlichungen ausgewiesene Expertise im Bereich der induktiven Erwärmung in das Projekt ein.

Die Förderung zielt insbesondere auf Anwendungen in der Elektromobilität. So werden zunächst Fügeverbindungen in den Leistungsmodulen (sogenannte „Power Modules“) des elektrischen Antriebsstranges profitieren. Hierzu gehören die Verbindungen von Halbleiterbauelementen und keramische Leiterplatten (sogenannte „Die-Attach“) sowie von Modulen und Kühlkörpern (sogenannte „Modul-Attach“). Da über beide Verbindungen die entstehende Abwärme in den Modulen abgeführt werden muss, sind beide Verbindungen für die Leistungsfähigkeit und Langzeitstabilität entscheidend.

Mehr Ressourceneffizienz: Silber durch Kupfer ersetzen

Im Vorhaben KuSIn sollen Pasten, Werkzeuge, Maschinen und Prozesse zum induktiven Sintern von Kupferpartikeln für den (Multi-)Die- und Substrate-Attach in der Elektromobilität und verwandten leistungselektronischen Anwendungen entwickelt werden. Sintern kommt in der Leistungselektronik bei hohen Arbeitstemperaturen zur Anwendung oder wenn hohe Wärmestromdichten erforderlich sind, um kritische Komponenten zu kühlen. Im Projekt soll der aktuell in der Aufbau- und Verbindungstechnik dominierende Sinterwerkstoff Silber durch Kupfer ersetzt und somit wertvolle Ressourcen eingespart werden. Die für dieses Verfahren erforderlichen höheren Sintertemperaturen und die höhere Oxidationsneigung von Kupfer im Vergleich zu Silber werden durch die schnelle, selektive und energieeffiziente induktive Erwärmung adressiert. So sollen wesentliche Verbesserungen bei den Prozesskosten und der Energieeffizienz des Verfahrens bei gleichbleibender Zuverlässigkeit im Vergleich zu konventionellen Silber-Sinterprozessen erreicht werden.

Insbesondere im Zuge der verstärkten Nutzung des Sinterns von Metall-Keramik-Substraten auf Kühlkörpern oder anderen großflächigen Strukturen könnten die Ergebnisse der Untersuchungen die Verbreitung der Niedertemperatur-Sintertechnologie in der Leistungselektronik auch außerhalb der Elektromobilität weiter unterstützen.

Dafür wird der Projektpartner Vitesco Technologies neben der Koordinierung des Verbundprojekts den neuen Sinterprozess beim Aufbau eines Leistungsmoduls anwenden, welches durch umfangreiche Tests und Analysen erprobt und mit dem Stand der Technik verglichen wird.

Beiträge der Projektbeteiligten:

Die TUC wird die Kernkomponenten der Anlage wie die Induktionsspule und die Pressvorrichtung sowie den induktiven Sinterprozess auslegen und simulieren. Zudem umfasst das Teilvorhaben der TUC die Realisierung eines induktiven Sintermoduls zur Integration in die Sinteranlage.

Budatec konzeptioniert und realisiert in ihrem Teilprojekt eine Sinteranlage mit induktiver Erwärmung und definierten Atmosphären, wodurch der Prozess des induktiven Kupfersinterprozesses erforscht und später industrialisiert werden kann.

Heraeus Electronics wird Kupferpasten und Prozesse für das induktive Sintern von Kupferpartikeln zum Die- und Substrate-Attach für Baugruppen der Leistungselektronik entwickeln und sowohl die Reduzierung der Werkstoffkosten als auch kostenintensive Prozessparameter wie Sintertemperatur, -zeit und -druck adressieren.

Die Fraunhofer-Institute ENAS und IMWS werden in ihrem Teilvorhaben die Induktionsspule und Kupfer-Sinterprozess entwickeln sowie Materialdiagnostik und Zuverlässigkeitsbewertung durchführen.

Dazu wird das Fraunhofer-Institut ENAS miniaturisierte Induktionsspulen für das induktive Sintermodul konzeptionieren, mittels mikrotechnologischer Verfahren realisieren sowie die Applikation der Kupfersinterpaste im induktiven Kupfersinterprozesses erforschen.

Das Fraunhofer-Institut IMWS widmet sich der Mikrostruktur-basierten Erforschung von Kupfer-Sinter-Pasten während der Entwicklung und im Verarbeitungsprozess sowie der Materialwechselwirkungen (Verbindungsbildung, Alterung, Degradation) im induktiv gesinterten Kontaktinterface auf Basis zerstörungsfreier Untersuchungsmethoden, hochpräziser Zielpräparationen, höchstauflösender Analysetechniken sowie mikromechanischer, thermographischer, elektrischer und chemischer Charakterisierungsverfahren.

Kontakt: Martin Kroll, Leiter der Abteilung Fügen an der Professur UFF der TUC, Tel. 0371/531- 36239, E-Mail martin.kroll@mb.tu-chemnitz.de 

Matthias Fejes
29.08.2023

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