Sonderforschungsbereich 694, Integration elektronischer Komponenten in mobile Systeme
Zum 1.1.2006 richtete die Deutsche Forschungsgemeinschaft (DFG) den neuen Sonderforschungsbereich 694 "Integration elektronischer Komponenten in mobile Systeme" an der Universität Erlangen-Nürnberg ein. Die erste Förderphase hat eine Laufzeit von vier Jahren.
Wissenschaftler der Fachrichtungen Maschinenbau und Fertigungstechnik, Elektrotechnik, Elektronik und Informationstechnik sowie Informatik erforschen in 13 Teilprojekten die Grundlagen für innovative Fertigungsprozesse, wirkungsortgerechte Modul- und Systemkonzepte sowie virtuelle simulationsintegrierte Methoden der Qualitätssicherung und multisensorielle Mess- und Prüfstrategien für die Produktion und Integration elektronisch-mechanischer Komponenten.
Weitere Informationen finden Sie im Internet unter
http://www.sfb694.forschung.uni-erlangen.de.
Teilbereich B4 SFB 694, Motorintegrierte Leistungselektronik: Strukturflexibel mechatronisch integrierbare passive elektronische Bauelemente
Ziele
Das Ziel des Teilprojekts B4 ist es, magnetische Werkstoffe auf Basis gefüllter Kunststoffe zu charakterisieren und mögliche Anwendungen im Bereich der Leistungselektronik zu untersuchen. Die gewonnenen Ergebnisse sollen es ermöglichen, z.B. induktive Bauelemente eines EMV-Filters anwendungsnah, formflexibel und verlustarm in einem Demonstrator zu integrieren, der im Rahmen des SFB 694 realisiert wird. Die Demonstratorplattform ist dabei ein Elektromotor für Hybridantriebe in Kraftfahrzeugen.
Stand der Untersuchungen
In Zusammenarbeit des LEB mit dem Lehrstuhl für Kunststofftechnik der Universität Erlangen-Nürnberg werden sogenannte Kunststoffcompounds hergestellt. Diese Compounds bestehen aus einem weichmagnetischen Pulver sowie einer Polymermatrix. Anschließend an ein kunststofftechnisches Herstellungsverfahren werden die magnetischen, elektrischen und thermischen Eigenschaften verschiedenster weichmagnetischer Kunststoffe untersucht, wie es beispielhaft in der Abbildung dargestellt ist. Gut zu erkennen ist, dass die weichmagnetischen Eigenschaften der Werkstoffe von verschiedenen Parametern bestimmt werden. Die im linken Diagramm dargestellte Funktion der Permeabilität in Abhängigkeit von der Frequenz wird durch den Füllstoff, den Füllgrad und die Geometrie der Füllstoffpartikel definiert. Die gewonnenen Ergebnisse sind Eingangsparameter für elektromagnetische Simulationen zukünftiger leistungselektronischer Bauelemente. Die Abbildung zeigt rechts die elektromagnetische Feldsimulation eines planaren Transformators. Als weichmagnetisches Kernmaterials wurde dabei ein kunststoffgebundenes Ferritpulver verwendet. Ziel dieser Simulationen ist es, den Verlauf der magnetischen Flussdichte auch für komplizierte Geometrien während des Designprozesses zu berechnen und somit Aussagen über die zu erwartende Verlustleistung zu treffen. Eine mögliche Anwendung für diese Technologie stellen planare - in die Leiterplatte integrierte - induktive Bauelemente dar.
Beispiele für die Messung der magnetischen Eigenschaften weichmagnetisch gefüllter Kunststoffe (links) und Simulation induktiver Bauelemente zum Einsatz neuer Fertigungstechnologien (rechts)
Teilbereich C4 SFB694, Integrierbare Bauelemente zur Erhöhung der Betriebssicherheit elektronischer Systemkomponenten im Automobil
Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme eines Querschnitts eines integrierbaren Leistungskondensators
Ziele
In mobilen Systemen, wie z.B. dem Automobil, ist die Erhöhung der Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein elementares Thema. Um die Zuverlässigkeit leistungselektronischer Systemkomponenten zu erhöhen, ist die Integration dieser Komponenten ein entscheidender Ansatzpunkt. So wird die Anzahl der Verbindungen zwischen den einzelnen Bauelementen minimiert und damit eine Hauptursache für Zuverlässigkeitsprobleme, die Aufbau- und Verbindungstechnik, reduziert. Im Teilprojekt C4 des SFB694 werden deshalb Integrationsmöglichkeiten von aktiven und passiven Leistungsbauelementen sowie von aktiven Sicherungselementen untersucht. Die zugrunde liegende Zielvorstellung ist eine wirkungsortgerechte Integration der leistungselektronischen Baugruppen zur erhöhten Betriebssicherheit des Gesamtsystems. D.h., unter den Umgebungsbedingungen, beispielsweise im Motorraum, muß ein zuverlässiger Betrieb der Baugruppen auch bei geringem Bauraum, hohen Temperaturen (100 °C bis 200 °C), Vibrationen und einer korrosiven chemischen Umgebung garantiert sein.
Methoden
Die gesetzten Ziele lassen sich nur erreichen, wenn Konzepte zur Verkleinerung und zur Flexibilisierung der Bauform und damit integrierbare Leistungsbauelemente entwickelt werden. Durch eine Erhöhung des Integrationsgrades einzelner Bauelemente lässt sich einerseits die Baugröße verringern und andererseits die Anzahl der Einzelbauelemente reduzieren. Ein Beispiel ist die Integration von Leistungskondensatoren. Auf der rechten Seite wird ein Querschnitt des Kondensators als rasterelektronenmikroskopische Aufnahme gezeigt. Um eine große Kapazität mit möglichst geringem Platzverbrauch herzustellen, wird die Oberfläche durch eine dreidimensionale Strukturierung vergrößert. In einem ersten Gesamt-prozess wurden Kondensatoren mit einer Lochtiefe von ca. 32 µm bei einem Lochdurchmesser von 4 µm prozessiert.
Integrierbares Sicherungselement: Rasterelektronenmikroskopische Aufnahme (links) und lichtmikroskopische Aufnahme eines ausgelösten Sicherungselementes (rechts)
Arbeitsplan
Im ersten Arbeitspaket werden die zur Integration notwendigen Bauelemente auf ihre Zuverlässigkeit bzw. kritischen Schwachpunkte untersucht. Ihre Tauglichkeit für eine Erhöhung der Betriebssicherheit durch die monolithische bzw. hybride Integration wird analysiert und ggf. werden Vorschläge für Modifikationen entwickelt. Im zweiten Arbeitspaket werden die Integrationskonzepte für die monolithische Integration untersucht, d.h. vor allem die bei der Integration entscheidenden Isolationskonzepte verglichen. Im dritten Teil sollen die vorgeschlagenen Konzepte mittels Teststrukturen realisiert und charakterisiert werden. Im vierten und letzten Arbeitspaket wird die Ergänzung integrierter Leistungselektronik durch Sicherungsbauelemente untersucht.