Zuverlässige Lötverbindungen für die Leistungselektronik in regenerativen Energiesystemen

• Antragsteller: Professor Dr.-Ing. Josef Lutz; Professor Dr.-Ing. Bernhard Wielage
• Fachliche Zuordnung: Metallurgische, thermische und thermomechanische Behandlung von Werkstoffen
• Förderung: Förderung von 2011 bis 2016
• Projektkennung: Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 210393662

Entscheidungen über den Bau von Großanlagen künftiger regenerativer Energiesysteme (z.B. Offshore-Windparks) setzen deren Zuverlässigkeit und abschätzbare Lebensdauer voraus. Eine Schlüsselkomponente dieser Systeme sind moderne Halbleiter-Bauelemente auf IGBT-Basis (Module), deren Zuverlässigkeit derzeit weniger durch den Halbleiter als durch die Aufbau- und Verbindungstechnik begrenzt ist. Ein Versagen tritt dabei zunehmend in den Lötverbindungen auf. Es existieren derzeit verschiedene Modelle zur Abschätzung der Lebensdauer von Modulen der Leistungselektronik: Physiknahe Modelle auf Basis passiver Lastwechseltests und empirische Modelle basierend auf aktiven Lastwechseltests. Die physiknahen Modelle bilden reale Einsatzprofile nicht ab, berücksichtigen Schädigungen in den Lötverbindungen nur von außen und erlauben keine Einbeziehung eines Temperaturgradienten im Modul. Die empirischen Modelle berücksichtigen keine Materialparameter (hervorgerufen durch z.B. unterschiedliche Lötprozesse und -profile), sind rein empirisch und können daher für neue Lotsysteme keine verlässlichen Daten liefern. In diesem Projekt soll, ausgehend von einem physiknahen Modell für passive Tests, ein weitergehendes physiknahes Modell für aktive Tests und damit reale Einsatzprofile entwickelt werden. Aufbauend auf diese Ergebnisse sollen in der späteren Phase neue Lotsysteme unter Nutzung von Materialien der Nanotechnologie für erhöhte Zuverlässigkeit bereitgestellt werden.SynergieDurch die Zusammenarbeit von Wissenschaftlern der Leistungselektronik und der Werkstoffwissenschaft ergeben sich wichtige Synergien. Die Kompetenzen der Leistungselektroniker liegen auf dem Gebiet der Bauelemente, der entstehenden Verlustwärme, der Wärmeabfuhr und der entstehenden thermischen Zyklen. Über die werkstoffwissenschaftliche Betrachtung können die thermisch-mechanischen Wechselwirkungen mit Hilfe der materialbezogenen Grundlagen die Schädigungsmechanismen erklärt und die Möglichkeiten einer Reduzierung der Schäden erarbeitet werden.

• DFG-Verfahren: Sachbeihilfen
• Beteiligte Person: Dr.-Ing. Ina Hoyer