Hier setzt Infineon Technologies als Enabler für Energieeffizienz an. Das Ziel ist, mit Leistungshalbleitern eine möglichst verlustfreie Erzeugung, Verteilung und Wandlung von Energie zu erreichen. Im industriellen Umfeld ist ohne Frage ein besonders hohes Energie-Einsparpotenzial vorhanden – allerdings nur durch den Einsatz von Leistungshalbleitern. So wird hier üblicherweise elektrische Energie in Form von Wechselspannung über Hochspannungsleitungen übertragen – mit entsprechenden Verlusten. Mit Leistungshalbleitern lässt sich der Strom gleichrichten und als Gleichspannung übertragen, anschließend wird er wieder wechselgerichtet. Je nach Länge der Übertragungsstrecke sind Einsparungen von bis zu 40 Prozent möglich. Angesichts eines Gesamtverbrauchs der deutschen Industrie von 256 Milliarden KW/h im Jahr 2009 ist das eine beträchtliche Größe. Ein ähnlich hohes Einsparpotenzial bieten Elektromotoren, wie sie beispielsweise in Lüftern und Pumpen zum Einsatz kommen. Statt die Motoren mit einer konstanten Drehzahl laufen zu lassen, kann die Energie für den Motor über einen Leistungshalbleiter gesteuert werden. Auch hier sind Einsparungen von bis zu 30 Prozent möglich. Allerdings ergeben sich all diese Einsparpotenziale erst, wenn die gesamte Energie über Leistungshalbleiter gesteuert wird.
* Infineon
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Power Density
„Für uns geht es immer darum, aus möglichst wenig Silizium möglichst viel Leistung herauszuholen“, erklärt Martin Hierholzer, Vice President und Leiter Industrial Power bei Infineon Technologies, die Herausforderung für Hersteller von Leistungshalbleitern. Während bei anderen Komponenten Ströme nur an der Oberfläche fließen und die Dicke dadurch keine Rolle spielt, fließt bei Leistungshalbleitern der Strom von oben nach unten durch das gesamte Bauteil. Je dünner also der Wafer ist, desto geringer ist der Widerstand für den Strom – daraus resultiert unmittelbar eine höhere Effizienz. Bei Infineon ist es inzwischen gelungen, 200-Millimeter-Wafer mit einer Dicke von unter 0,1 Millimetern zu fertigen. „Die Scheibe wabbelt wie ein Blatt Papier“, beschreibt Martin Hierholzer anschaulich die neue Technologie. Doch nur mit solch innovativen Technologien lässt sich den Problemen in der Industrie beikommen. Dabei geht es immer darum, die benötigte Leistung auf einer noch kleineren Fläche unterzubringen. Als Beispiel nennt Martin Hierholzer drehzahlgeregelte Antriebe, die Frequenzumrichter benötigen. Diese wiederum nehmen Platz in Anspruch. „Viele Unternehmen regeln nicht und verschwenden so Energie“, beschreibt Herr Hierholzer seine Erfahrungen. „In vielen Betrieben ist einfach kein Platz vorhanden,“ führt er weiter aus. „Daher müssen die Frequenzumrichter so klein wie möglich sein. Und die Größe hängt sehr stark von den Leistungshalbleitern ab.“
Hochtemperatur-Elektronik
Wie groß die Fortschritte sind, zeigt ein Vergleich der IGBT-Generationen bei Infineon: Von der 1. bis zur 4. Generation wurde die Leistungsdichte verdreifacht – bei gleichzeitiger Halbierung der Verlustleistung. „Das treibt uns in unserer Entwicklung an: Leistungsdichte hoch, Verluste runter“, nennt Martin Hierholzer die Motivation für die Entwicklungsarbeiten bei Infineon. Allerdings hat diese Effizienz auch ihren Preis: „Die Kunden erwarten, dass ihre Geräte immer kompakter werden. Wir müssen Produkte liefern, die immer mehr Leistung auf noch kleinerem Volumen bieten“, erklärt Martin Hierholzer. „Das ist aber nur möglich, wenn das Temperaturniveau der Halbleiter steigt.“ Während die ersten IGBT-Generationen noch bei einer Arbeitstemperatur von 125 °C ihren Dienst verrichteten, wird bei der aktuellen, vierten Generation schon eine Arbeitstemperatur von 150 °C erreicht – Tendenz steigend. „Wir arbeiten schon an der nächsten IGBT-Generation mit 175 °C“, so Martin Hierholzer. „Ohne die Akzeptanz des höheren Temperaturniveaus werden wir bei Kostenreduktion und Miniaturisierung keinen Fortschritt sehen.“ Dass dabei alle Komponenten im Gerät etwas wärmer werden, ist eine ebenso einfache wie wichtige Tatsache. Denn alle Hersteller von Komponenten, beispielsweise Kondensatoren, müssen entsprechende Produkte anbieten. Allerdings liegt die größte Herausforderung bei den Leistungshalbleiter-Herstellern: Sie müssen es schaffen, trotz höherem Temperaturniveau die Lebensdauer der Module auf dem gleichen Niveau zu halten, oder gar zu verlängern. „Wir haben die Aufgabe, Verbindungstechnologien im Modul zu entwickeln, die bei 175 oder 200 °C genauso lange halten wie die älteren Technologien bei 125 oder 150 °C“, konkretisiert Martin Hierholzer das Problem. Dabei geht es um einen Faktor Zehn in der Lebensdauer bei einem Temperatur-Unterschied von 25 °C. „Das ist eine Herausforderung für uns als Leistungshalbleiterhersteller, der wir uns auch stellen“, so Martin Hierholzer. „Auf der PCIM werden wir eine Technologie zeigen, die in diese Richtung geht.“
Vorteile durch Pressfit
Infineon Technologies setzt aber nicht nur auf die hohe Leistungsdichte seiner IGBT-Module. Durch die Einführung der Einpresstechnik bieten die Leistungselektronik-Bauteile weitere maßgebliche Vorzüge. Das im letzten Jahr eingeführte Verfahren, das bei Infineon Pressfit heißt, bietet gegenüber den konkurrierenden Verfahren wie Schrauben, Löten und Federkontakt gravierende Vorteile. Schon seit Jahren setzt die Automobil-Industrie auf die Einpresstechnik, beispielsweise bei Steuergeräten und Steckverbindern. Ausschlaggebend ist hier die enorme Zuverlässigkeit. So haben unterschiedliche Untersuchungen ergeben, dass Einpresskontakte um den Faktor 10 bis 100 zuverlässiger sind als Löt- oder Federkontakte. Ein weiterer großer Vorteil besteht darin, dass sich das Einpress-Verfahren mit einfachen, preiswerten Werkzeugen realisieren lässt. Es fallen keine hohen Investitionskosten an. In einem Montageschritt können zudem bis zu 30 Hochstromkontakte montiert werden. Zudem ist das Verfahren kompatibel zur Löt-Technik: Wer das Löten gewohnt ist, kann sein Verfahren sehr einfach umstellen. Im Gegensatz beispielsweise zu Federkontakten sind Presskontakte gasdicht und korrodieren nicht. Das ist aus Sicht deutscher Unternehmen vor allem interessant im Hinblick auf den asiatischen Markt, wo ein hohes Aufkommen von Schadgasen leicht zu Korrosion führen kann. Schließlich ist Pressfit auch geeignet für Sense- und Steuerkontakte, da über die Kontakte auch sehr kleine Ströme und Spannungen zuverlässig übertragen werden können. Dies kommt dem Trend entgegen, immer mehr Funktionen in IGBTs zu integrieren. Federkontakte beispielsweise sind an dieser Stelle nur sehr eingeschränkt geeignet.
Erfolgsfaktor Zuverlässigkeit
Auch wenn sich die Pressfit-Technik grundsätzlich überall einsetzen lässt, beschränkt sich ihr Einsatz derzeit auf alle Bereiche, wo die IGBT-Module in Leiterplatten eingesetzt werden – also dort, wo heute gelötet wird. Für andere Produkte sind derzeit auch schon Ströme größer als 200 Ampere möglich, für Leistungshalbleiter gilt dieser Wert derzeit als Obergrenze. Allerdings ergibt sich diese Beschränkung aus der Leiterplatte selber, die Einpresstechnik kann man auch höhere Ströme nutzen. „Pressfit bietet vor allem dort Vorteile, wo eine hohe Zuverlässigkeit gefordert ist“, fasst Martin Hierholzer zusammen. „Das sind beispielsweise die Automobiltechnik, die Aufzugstechnik, Werkzeugmaschinen und alle Bereiche, in denen Schadgase anfallen.“ Infineon Technologies hat sich das Ziel gesetzt, alle Produkte, die in eine Leiterplatte kommen, mit Pressfit auszustatten. „Dabei arbeiten wir uns in der Leistungsklasse von unten nach oben“, erklärt Martin Hierholzer die Vorgehensweise. „Die Pins werden so ausgeführt, dass man sie auch löten kann; die Kunden können dann wählen.“ Denn nicht jeder Kunde will sofort umsteigen. Wer in den letzten Jahren in teure Löt-Verfahren investiert hat, will diese Investition nicht brachliegen lassen. „Der Industriebereich ist konservativ“, so Martin Hierholzer, „neue Technologien werden nie sprunghaft angenommen.“ Allerdings haben zahlreiche Kunden ihr Interesse an der Pressfit-Technik bekundet. Laut Herrn Hierholzer sind es vor allem amerikanische und europäische Kunden, die sich durch Hochtechnologie im Markt differenzieren wollen.Und nicht zuletzt spricht die Schonung der Umwelt für Pressfit. Diese Technik ermöglicht es, weitgehendauf bleihaltige Lötverbindungen zu verzichten. „Pressfit ist sowohl preiswerter als auch zuverlässiger, was den Verzicht auf Blei und Löten noch etwas einfacher macht.
Neue IGBT-Module sparen Energie und Kosten
Die Nachfrage nach energieeffizienten Lösungen in der Industrieelektronik wächst weiter sehr stark. Hauptgrund ist der hohe Kostendruck aufgrund stetig steigender Energiekosten – von sich weiter verschärfenden rechtlichen Rahmenbedingungen ganz zu schweigen. Demgegenüber stehen Energie-Einsparpotenziale von 30 Prozent und mehr. Hier können die IGBT-Module von Infineon dank ihrer großen Leistungsdichte, geringen Verlustleistung und hohen Zuverlässigkeit einen wertvollen Beitrag leisten.☐
„Das treibt uns in unserer Entwicklung an: Leistungsdichte hoch, Verluste runter.“ Martin Hierholzer, Vice President und Leiter Industrial Power bei Infineon Technologies
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