Multiüberträger Hybride Leistungselektronik schlägt keramische

Redakteur: Peter Königsreuther

Am Fraunhofer-ILT wurde ein neues Verfahren entwickelt, mit dem viel günstigere sowie unkeramische FR4-Leiterplattensubstrate hergestellt werden können. Das soll der Zukunft dienen.

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Hybrides statt Keramisches! Blick auf eine im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts CLAPE gefertigte Hybridleiterplatte. Sie fasst mehrere Funktionen in einem Bauteil zusammen und ist zigmal günstiger, als keramikbasierte Leistungselektronik.
Hybrides statt Keramisches! Blick auf eine im Rahmen des BMWi-geförderten Projekts CLAPE gefertigte Hybridleiterplatte. Sie fasst mehrere Funktionen in einem Bauteil zusammen und ist zigmal günstiger, als keramikbasierte Leistungselektronik.
(Bild: Fraunhofer-ILT)

Konventionelle FR4-Leiterplattensubstrate sind aus Keramik. Mit den hybriden Alternativen, die vom Fraunhofer-Institut für Lasertechnik (ILT) nebst Partnern geschaffen wurden, spare man nicht nur Geld sondern hole sich mehr Einsatzflexibiliät ins leistungselektronische Geschehen. Rund 20-mal günstiger soll diese Entwicklung sein.

Projektleiter Woo-Sik Chung, Mitglied der Gruppe Mikrofügen am Fraunhofer-ILT, erklärt das Prinzip: „Stellen Sie sich einen Kupferblock mit gleicher Fläche aber unterschiedlicher Dicke im Querschnitt vor. Und je dicker der Block ist, desto besser wird die Stromübertragung. Dort, wo am meisten Strom benötigt wird, verstärken man die Leiterplatte. Wo nur wenig Strom fließen muss, lassen wir Material weg.“

Mit standardisierten Herstellungsverfahren sei es bisher sehr aufwendig gewesen, einzelne Bereiche gezielt so zu verdicken, dass eine geschweißte Verbindung herstellbar ist. Im BMWi-geförderten Projekt CLAPE nahmen sich die ILT-Experten und die Partner der Ilfa GmbH sowie der französischen KMU Ouest Coating dieser Herausforderung erfolgreich an, heißt es weiter.

Kleinere und energieeffizientere Leiterplatten

Bisher galt, dass man entweder eine Leiterplatte mit dünner Metallisierung oder eine mit dicker nehmen musste, so Chung. Ein Stromwandler, mit dem etwa Akkus in E-Autos geladen werden, benötigt zur Leistungsübertragung nun sehr schnell viel Strom. Um aber ein Stromsignal an eine LED-Leuchte zu übertragen, bedarf es nur weniger Milliampere Stromstärke. Chung betont: „Unser neues Fertigungsverfahren ermöglicht es, dass beides auf nur einer Leiterplatte liegt – Signal- und Stromübertragungszone.“

Dafür nutzt man speziell angepasste Leiterplatten. Diese werden per Kaltgas-Sprühverfahren, nach konkretem Bedarf, lokal so verdickt, dass unterschiedlich starke Leiterbahnen ohne thermische Beschädigung per Laserstrahl-Mikroschweißen stoffschlüssig mit der Leiterplatte verbunden werden können. Die so entstandenen Hybridleiterplatten benötigten wegen ihres spezifischen Aufbaus zur Signal- und Stromübertragung nicht nur weniger Platz, sie verteilten die Energie auch wesentlich effizienter. Auch in Anbetracht der Tatsache, dass die benötigten Ressourcen zur Herstellung von Chips für die Leistungselektronik knapp bemessen sind, ist das eine überaus wichtige Erkenntnis.

Alternative Hilfe mit Blick auf Klimaneutralität

Dass mit der höheren Effizienz auch eine größere Wirtschaftlichkeit einhergehe, mache die Neuentwicklung des Fraunhofer-ILT für die Industrie besonders interessant. Vor allem, wenn man an die erst kürzlich weiter nach oben korrigierten deutschen Klimaziele denkt, durch die das Land in spätestens 34 Jahren klimaneutral sein soll.

„Wir haben das Projekt vor Kurzem erst abgeschlossen“, schränkt Chung ein. Die Technologie sei zwar noch nicht marktreif und bis zum praktischen Einsatz müssten noch einige Anpassungen gemacht werden. Das nächste Forschungsziel ist es nun, die Selektivität beim Kaltgassprühverfahren zu optimieren und die Kosten weiter zu reduzieren. Hier gebe es noch Luft nach oben.

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