Kraus Hardware beteiligt sich an Forschungsprojekt

Okt 11, 2021

Für die groß­vo­lu­mige Serien-Pro­duk­tion von Leis­tungs­mo­du­len für elek­tri­sche Antriebe und Umrich­ter für erneu­er­bare Ener­gien könnte die soge­nannte Kon­takt-Ther­mo­gra­fie unver­zicht­bar wer­den: Das neue Ver­fah­ren ermög­licht ihren sekun­den­schnel­len Funk­ti­ons­test. Aktu­ell wird die Kon­takt-Ther­mo­gra­fie im Rah­men eines For­schungs­pro­jekts wei­ter­ent­wi­ckelt. Kraus Hard­ware ist mit an Bord.

 „Mit der Kon­takt-Ther­mo­gra­fie eröff­nen sich für uns große Chan­cen im Bereich der Elek­tro­mo­bi­li­tät “ 

Die Nach­frage nach Leis­tungs­elek­tro­nik steigt der­zeit mas­siv an – kein Wun­der: Hin­ter gesell­schaft­li­chen Mega­the­men wie der Ener­gie­wende und der Zunahme der Elek­tro­mo­bi­li­tät ste­hen letzt­lich gewal­tige Pro­duk­ti­ons­men­gen in den dazu­ge­hö­ri­gen Bran­chen. Inter­es­san­ter­weise ändern sich dabei auch die ver­wen­de­ten Werk­stoffe. Das betrifft zum einen das Halb­lei­ter­ma­te­rial: Bei vie­len Leis­tungs­mo­du­len kom­men ver­stärkt Gal­li­um­ni­trid (GaN) oder Sili­zi­um­kar­bid (SiC) zum Ein­satz. Auf diese Weise las­sen sich höhere Schalt­fre­quen­zen bei nied­ri­ge­ren Ver­lus­ten rea­li­sie­ren. Zum ande­ren wer­den die Sub­strate die­ser Leis­tungs­mo­dule häu­fig auf Basis von Kera­mik und Kup­fer her­ge­stellt (DCB-Sub­strate – Direct Cop­per Bon­d­ing). Vor­teil hier: Der Werk­stoff führt die ent­ste­hende Wärme sehr schnell ab, was Schä­den an den Modu­len verhindert.

Auf der Suche nach dem Prüf­ver­fah­ren
Bleibt an die­ser Stelle die Frage, wie nun aber die Schnitt­stel­len zwi­schen den „neuen“ Halb­lei­tern und dem DCB-Sub­strat aus­se­hen – vor allem, weil man dabei eine ebenso gute elek­tri­sche und ther­mi­sche Leit­fä­hig­keit errei­chen muss. Aktu­ell kom­men des­halb zumeist Löt­ver­bin­dun­gen und Sil­ber-Sin­ter­ver­bin­dun­gen zum Ein­satz. Von ihrer Qua­li­tät hängt die Funk­tio­na­li­tät und Zuver­läs­sig­keit der gesam­ten Bau­gruppe mit ab. In der Folge wird die schnelle Über­prü­fung die­ser Qua­li­tät im Rah­men von groß­vo­lu­mi­gen Pro­duk­ti­ons­pro­zes­sen aber zu einem ent­schei­den­den Fak­tor. Und hier zeigt sich ein bis­lang unge­lös­tes tech­ni­sches Pro­blem: Her­kömm­li­che Prüf­ver­fah­ren wie das Rönt­gen oder die Ultra­schall­mi­kro­sko­pie sind dafür nicht geeig­net, denn beim Sin­tern ent­steht keine homo­gene Schicht. Folg­lich lie­fert sie auch kein gutes Kon­trast­si­gnal, aus dem man auf einen qua­li­täts­ge­rech­ten Sin­ter­pro­zess schluss­fol­gern könnte. Im Übri­gen eig­net sich die Ultra­schall­ana­lyse gene­rell nur bedingt für die In-Line-Inspektion.

Sekun­den­schnelle Mes­sung
An die­ser Stelle kommt nun ein grö­ße­res For­schungs­pro­jekt ins Spiel, an dem neben Kraus Hard­ware auch die buda­tec GmbH und das Zen­trum für mikro­tech­ni­sche Pro­duk­tion an der TU Dres­den betei­ligt sind. Seine Ziel­set­zung: die soge­nannte Kon­takt-Ther­mo­gra­fie in eine neue Prüf­ap­pa­ra­tur zu über­füh­ren und das Ganze anschlie­ßend in einem seri­el­len indus­trie­len Pro­duk­ti­ons­pro­zess zu tes­ten. Das Pro­jekt wird vom Zen­tra­len Inno­va­ti­on­pro­gramm Mit­tel­stand (ZIM) geför­dert und basiert auf den Arbei­ten des ZIM-Pro­jekts „Dyna­therm“, in dem die Kon­takt-Ther­mo­gra­fie erdacht und labor­tech­nisch unter­sucht wurde. Was genau ver­birgt sich hin­ter die­sem neuen Ver­fah­ren? Das sind seine zen­tra­len Teilprozesse:

  • Eine minia­tu­ri­sierte Heiz­struk­tur wird an den gelö­te­ten oder gesin­ter­ten Leis­tungs­halb­lei­ter ange­kop­pelt und anschlie­ßend ein kur­zer Heiz­im­puls eingebracht.
  • Je nach Qua­li­tät der Ver­bin­dungschicht unter dem Halb­lei­ter brei­tet sich die­ser Heiz­im­puls mit ver­schie­de­nen Cha­rak­te­ris­ti­ken aus.
  • Diese Aus­brei­tung wirkt sich auf die elek­tri­schen Eigen­schaf­ten der Heiz­struk­tur aus, was sich mes­sen lässt. Der Mess­vor­gang dau­ert nur rund eine Sekunde.

Kraus Hard­ware ver­grö­ßert Mess-Exper­tise
In dem ZIM-Pro­jekt geht es nun darum, eine In-Line-fähige Prüf­ap­pa­ra­tur zu ent­wi­ckeln und in der Pro­duk­tion zu tes­ten. Dabei ist Buda­tec ver­ant­wort­lich für alle Arbei­ten zur Kon­struk­tion und Umset­zung der Anla­gen­tech­nik, der Opti­mie­rung der Sen­so­ren und der Durch­füh­rung von Mess­rei­hen. Die TU Dres­den opti­miert den ein­ge­setz­ten Sen­sor­kopf und eva­lu­iert die Prüf­ergeb­nisse. Kraus Hard­ware ent­wirft und kon­stru­iert die Ansteuer- und Aus­wer­te­elek­tro­nik und arbei­tet unter ande­rem bei der Durch­füh­rung der Mess­rei­hen mit. „Wir freuen uns sehr auf diese Auf­gabe“, erklärt Andreas Kraus, Gesell­schaf­ter von Kraus Hard­ware. „Mit der Kon­takt-Ther­mo­gra­fie eröff­nen sich für uns große Chan­cen im Bereich der Elek­tro­mo­bi­li­tät und der elek­tri­schen Antriebe sowie im gro­ßen Anwen­dungs­feld der erneu­er­ba­ren Ener­gien. Hier könnte das Ver­fah­ren in viel­fa­cher Weise zum Ein­satz kom­men. Zugleich bauen wir ein noch grö­ße­res Ver­ständ­nis für Löt- und Sin­ter­pro­zesse auf und erwei­tern unsere Exper­tise in der Mess‑, Steuer und Rege­lungs­tech­nik sowie der Mess­da­ten­ana­lyse. Das ist für unsere Unter­neh­mens­ent­wick­lung von gro­ßer Bedeutung.“

Auf­bau der Prüfanordnung

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