Siliziumcarbid für die Massen

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Siliziumcarbid (SiC) wird seit Jahren zumindest in der Leistungselektronik als „gefährlicher“ Silizium-Konkurrent gehandelt. Den größten Knackpunkt stellt aber nach wie vor das Fehlen befriedigender Methoden für eine industrielle Fertigung dar. Das Projekt „SiC Modul“ soll jetzt den Weg dahin ebnen.

Das mangelnde Standvermögen von Elektrofahrzeugen wird in der Regel unzureichenden Batteriekapazitäten angelastet. Nur selten kommt mit der Leitungselektronik eine mindestens ebenso wichtige Komponente ins Spiel. Eigentlich aber ist sie – elektronisch gesehen – das Herz des regenerativen Antriebskonzeptes. Denn sie bringt letztlich die vorhandene Energie möglichst verlustarm auf die Strasse. Und steuert ganz nebenbei auch die Energierückgewinnung (Rekuperation) beim Bremsen. Experten gehen davon aus, dass jedes zusätzliche Prozent an Effizienz in dem Bereich in zwei Prozent mehr Reichweite mündet. ZF Friedrichshafen erwartet dadurch ein Reichweitenplus von bis zu zehn Prozent durch Siliziumcarbid.

Siliziumcarbid
Microchip gab erst vor kurzem Siliziumcarbid-Bausteine (SiC) für die Fertigung frei. (Bild: Microchip).

Der Wirkungsgrad ist also einer der wichtigsten Faktoren, wenn es um Leistungselektronik geht. Daneben spielen aber auch Raumbedarf und Gewicht eine große Rolle. Silizium erfüllt diese Forderungen bis zu einem bestimmten Grad. Besser geeignet wäre allerdings eine sogenannte Wide-Bandgap-Halbleiterlösung mit Siliziumcarbid (SiC).

Trotzdem sucht man heute noch meist vergebens nach E-Autos mit Siliziumcarbid-Technologie auf der Straße. Einzig das Tesla Model 3 bewegt sich mit jeweils 24 SiC-MOSFET-Modulen von STMicroelectronics vorwärts. Auf den Rennstrecken allerdings fährt der „effiziente“ Halbleiter bereits erste Siege ein.

SiC auf der Rennstrecke

Wer die electronica letztes Jahr besuchte, konnte am Stand von Rohm den Rennwagen des Formel-E-Rennteams Venturi bestaunen. In seinem Wechselrichterblock wandeln SiC-Leistungsbausteine Gleichstrom aus dem Akku in dreiphasigen Wechselstrom für den Elektromotor um. Ein hochkomplexer Vorgang, denn schließlich müssen Frequenz und Spannung des Wechselstroms permanent der Fahrsituation angepasst werden. Im März dieses Jahres konnte Venturi mit Siliziumcarbid-Komponenten von Rohm und ZF Friedrichshafen in Hongkong seinen ersten Triumph feiern.

Auch andere deutsche Autohersteller entdecken Siliziumcarbid und die Formel-E als neues Techniklabor. So holte der neue BMW iFE.18 in Diriyya im Dezember letzten Jahres seinen ersten Formel-E-Sieg mit Siliciumcarbid-Technologie.

Siliziumcarbid
Cree liefert SiC-Wafer an Chiphersteller wie etwa Infineon und ist seit kurzem exklusiver Siliziumcarbid-Partner von Volkswagen. (Bild: Cree).

Bis diese jedoch auf öffentlichen Strassen in großem Maßstab zum Einsatz kommt sollen noch drei bis vier Jahre vergehen. Immerhin erwarten die Marktforscher von Yole Développement für den Siliziumcarbid-Halbleitermarkt bis 2023 ein Volumen von etwa 1,4 Milliarden US-Dollar bei einer jährlichen Wachstumsrate von 29 Prozent, in der Hauptsache getragen von der Automobilindustrie. Für eine Massenproduktion muss allerdings bis dahin die passende Aufbau- und Verbindungstechnik zur Verfügung stehen.

Siliziumcarbid auf Leiterplatte

Dafür entwickeln Forscherinnen und Forscher am Fraunhofer IZM im  BMBF-Förderprojekt „SiC Modul“ die Rahmenbedingungen. Das Modul beruht dabei auf einem klassischen Leiterplattenaufbau. Und der Halbleiter wird nicht mit einer Drahtbondverbindung kontaktiert, sondern direkt über einen galvanisch hergestellten Kupferkontakt in die Schaltung eingebettet. So lässt sich die Kabellänge verkürzen und die Leistungsführung optimieren.

Die Dimensionierung und elektrische Auslegung der leistungselektronischen Module erfolgt dabei in direkter Zusammenarbeit mit Automobilherstellern, Baugruppenzulieferern und Baugruppenfertiger. Das Projekt geht über die Erstellung von Prototypen hinaus. Vielmehr soll Siliziumcarbid mit der Einbett-Technik den Weg in die Serienproduktion antreten.

 

 

 

 

Siliziumcarbid (Bild: Fraunhofer IZM)

Eingebettetes Siliziumcarbid auf dem Weg zur Serienproduktion in der Elektromobilität. (Bild: Fraunhofer IZM).