Forschungsfelder
Unsere Forschungsfelder decken die gesamte Bandbreite moderner Leistungselektronik ab – von der Entwicklung und Optimierung von Substraten über Packaging und Bonding bis hin zu Analyse und Thermal Management. In praxisnahen Laboren und Projekten untersuchen Studierende und Forschende Materialien, Fertigungsverfahren und elektrische wie thermische Eigenschaften, um effiziente, zuverlässige und langlebige Leistungsmodule zu gestalten.
Die Aufbau- und Verbindungstechnik befasst sich mit der Realisierung elektronischer Systeme durch das elektrische, thermische und mechanische Verbinden einzelner Bauelemente zu funktionsfähigen Baugruppen. Sie bildet die Schnittstelle zwischen der Halbleitertechnologie und der fertigen Anwendung und umfasst Verfahren wie das Löten, Sintern, Bonden und Vergießen.
Zentrale Aufgaben sind die sichere elektrische Kontaktierung, die effiziente Wärmeableitung sowie der mechanische Schutz empfindlicher Komponenten. Durch geeignete Material- und Prozesswahl werden Zuverlässigkeit, Leistungsfähigkeit und Lebensdauer elektronischer Systeme maßgeblich bestimmt.
Leistungsmodule werden eingesetzt, um elektrische Energie effizient zu steuern, zu wandeln oder zu schalten. Sie bündeln mehrere Halbleiterbauelemente wie IGBTs, MOSFETs, Dioden oder Thyristoren in einem Gehäuse und bieten damit eine kompakte, zuverlässige Lösung für hohe Ströme und Spannungen.
Typische Einsatzbereiche:
- Antriebssteuerung von Motoren (in Industrieanlagen, Zügen, Elektrofahrzeugen und Aufzügen. Sie ermöglichen Wechselrichterfunktionen für Drehstrommotoren.)
- Energieerzeugung und -umwandlung (Einsatz in Photovoltaik-Wechselrichtern, Windkraftanlagen und Brennstoffzellen zur effizienten Umwandlung von Gleich- in Wechselstrom.)
- Stromversorgungssysteme (In USV-Anlagen (unterbrechungsfreie Stromversorgung) oder Einspeisungssystemen für elektrische Netze sorgen Leistungsmodule für stabile Energieversorgung.)
- Hochleistungsanwendungen in Industrie und Transport (z. B. Schweißgeräte, Bahntechnik, Traktionsantriebe, bei denen hohe Ströme und Spannungen zuverlässig geschaltet werden müssen.)
Leistungsmodule sind heute deutlich kompakter und leistungsfähiger als noch um 1990: Die Strukturgröße schrumpfte von 220 µm auf 90 µm, die Leistungsdichte stieg von 30 kW/cm² auf über 250 kW/cm². Moderne Module enthalten bis zu 6 IGBTs und nutzen zunehmend Siliziumkarbid (SiC) statt reinem Silizium.
Die steigende Leistungsdichte und Miniaturisierung moderner Leistungsmodule stellt hohe Anforderungen an Wärmemanagement, Zuverlässigkeit und Fertigungstechnik. Höhere Ströme und Temperaturen bis zu 200 °C statt früher 125 °C belasten Materialien und Verbindungen stärker, während der Einsatz von Siliziumkarbid (SiC) neue Produktions- und Verbindungsmethoden erfordert. Gleichzeitig erhöhen sich die Kosten, sodass Leistung, Effizienz und Wirtschaftlichkeit sorgfältig ausbalanciert werden müssen.
Vom Wafer bis zum Modul - Bereiche, die ständiger Optimierung bedürfen:
- Mechanische Schnittstellen, Montage
- Externe elektrische Schnittstellen
- Interne Verbindungen und Sensoren (Zustandsüberwachung)
- Thermisches Management und Schnittstellen zum Kühler
- Synchronisation von Parallelschaltungen
- interne Induktivität (Widerstand gegen schnelle Stromänderungen = weniger Störenergie)
At the Assembly and Interconnection Technology Laboratory at HAW Kiel, we focus on the development, analysis, and optimization of modern interconnection technologies for power electronic components. Our primary areas of focus include:
New assembly and connection conceptse for power modules (e.g., using wire bonding, soldering, potting, pressure sintering, or vacuum brazing)—with the aim of improving electrical, thermal, and mechanical performance.
Practical implementation and prototype productiong: Concepts are not merely conceptualized but are brought to life until they are fully functional—this allows materials, processes, and structures to be tested and evaluated under realistic conditions.
Thermal and Electrical Management of components and assemblies — to ensure reliability and service life under real-world operating conditions.
Sustainable and efficient manufacturing processes: Development and investigation of energy-efficient, robust joining technologies with a focus on industrial applications and scalability.