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Projekt
Konforme intelligente GaN Systems-in-Package auf Basis von 3D-Keramik für die Leistungselektronik (3D-CeraGaN)
Fachliche Zuordnung
Elektronische Halbleiter, Bauelemente und Schaltungen, Integrierte Systeme, Sensorik, Theoretische Elektrotechnik
Förderung
Förderung seit 2021
Projektkennung
Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) - Projektnummer 462828009
Das Projekt setzt sich die theoretische Untersuchung und die experimentelle Verifikation des Potentials 3D-integrierter keramischer Schaltungsträger für GaN-basierende Systems-in-Package (SiP) für die Leistungselektronik zum Ziel. Neben den neuen Freiheitsgraden 3D-integrierter Systeme bezüglich des thermischen Managements und hoher Leistungsdichte werden zusätzliche Vorteile wie die Bauraumkonformität, Miniaturisierung und Reduzierung von Komponenten untersucht. Die Forschungsarbeiten konzentrieren sich auf intelligente Leistungsmodule auf Basis von GaN-Leistungstransistoren und die Herstellungsprozesse für 3D-geformte, keramische Moulded-Interconnect-Device (MID) Schaltungsträger, ihre Funktionalisierung und die entsprechende 3D-Aufbau- und Verbindungstechnik.Die wissenschaftlichen und technischen Ziele können wie folgt formuliert werden:- Verifikation eines multi-physikalischen Entwurfsprozess für intelligente Leistungsmodule mit parallel geschalteten GaN-Leistungstransistoren, Treiberschaltungen und Sensorik als SiP auf keramischen 3D-Schaltungsträgern.- Neuartige Treiberkonzepte und thermisches Design für die optimal ausgewogene Stromverteilung in parallelisierten, schnell schaltenden Spannungswandlern für Hochstromanwendungen.- Entwurf von Temperatur- und Stromsensoren und ihrer Ausleseschaltungen für schnelle Fehlerdetektion und aktive Regelung zur Erhöhung der Lebensdauer des SiP.- Metrologische Verifikation von erzielbaren Gewinnen auf Systemebene, wie Effizienz und Bauraumkonformität eines 3D-integrierten GaN-basierenden Spannungswandlers für eine Leitanwendung bei 48 V und hohen Strömen von >100 A im Vergleich zu konventionellen Konvertern. - Hybride Ansätze auf Basis von MID Keramiken in Verbindung mit GaN Transistoren sollen unter thermischer, elektrischer und mechanischer Hinsicht beurteilt werden. Der hohe Grad an Flexibilität, Komplexität und Serientauglichkeit der MID-Technologie soll Vorteile auf Systemebene heben und die Modularität erhöhen (z.B. paralleles Schalten durch Stapelung von Modulen). - Thermische Modelle auf Basis von Zth-Messungen und IR-Bildgebung sollen gezielt entwickelt und mit vorhergehenden MIDs und konventionellen 2D-Substraten verglichen werden. - Silbersintern ist eine etablierte Aufbau- und Verbindungstechnik in der Leistungselektronik. Die Anwendung auf das Lagensystem keramischer MIDs jedoch ist bisher nahezu unerforscht. Die Auswirkung der Substratoberfläche auf die Qualität der Bondverbindungen und die Diffusionsprozesse unterschiedlicher Metallisierungen für GaN-basierende System soll im Projekt untersucht werden. - Beschleunigte Lebensdauertests mittels aktiven Lastwechseln sollen für GaN leistungselektronische Systeme auf Basis keramischer MIDs durchgeführt und mögliche Ausfallmechanismen untersucht werden. Diese Lebensdauertests dienen als Basis für Lebensdauermodelle.
DFG-Verfahren
Schwerpunktprogramme
Teilprojekt zu
SPP 2312:
Energieeffiziente Leistungselektronik "GaNius"
