Siliciumcarbide, een veelbelovend alternatief materiaal voor de halfgeleiderindustrie, is al jaren een onderwerp van uitgebreid onderzoek. Het Fraunhofer Instituut voor Betrouwbaarheid en Micro-integratie IZM bundelde zijn krachten met een aantal partners in het SiC Module project om hier versnelling in aan te brengen. Hun inspanningen zijn erop gericht om de efficiëntie van aandrijfsystemen in elektrische voertuigen te verhogen en het bereik van deze voertuigen uit te breiden.

Elektromobiliteit heeft zijn tegenstanders, waarbij de meeste sceptici wijzen op beperkingen zoals de topsnelheid en het maximale bereik van elektrische auto’s. Beide zijn afhankelijk van de ingebouwde vermogenselektronica, het elektronische hart van e-mobiliteit. Grootte, gewicht en efficiëntie zijn drie factoren voor vermogenselektronica die bestemd is voor installatie in e-auto’s. De elektrische auto’s hebben een groot vermogen en een groot gewicht. Siliciumcarbide (SiC), een nieuw halfgeleidermateriaal, levert voor alle drie een verbetering. Het is efficiënter maar laat toch een kleinere voetafdruk achter dan conventionele halfgeleiders zoals silicium.

Toch is siliciumcarbide vandaag de dag nog niet verwerkt in e-auto’s op de weg. Op dit moment is dit halfgeleidermateriaal nog slechts in onderzoekslaboratoria te vinden. Om het van het lab naar de fabriek over te brengen, probeert het SiC-moduleproject rekening te houden met alle voorwaarden van de industriële productie. Het ontwerp van de module is daar een goed voorbeeld van: onderzoekers van het Fraunhofer IZM baseren de module op de structuur van de klassieke printplaat die al lang de voorkeur geniet in de industrie. Dit moet de uitrol ervan versnellen.

Korte elektrische leidingen

In plaats van de halfgeleider met een draad te verbinden met het pakket, hebben de onderzoekers besloten om deze rechtstreeks in het circuit in te bedden met een galvanisch ondersteund koperen contact, om de draden in te korten en de stroomgeleiding te optimaliseren. De onderzoekers werkten nauw samen met de gebruikers, waarbij ze bij het bepalen van de productspecificaties rekening hielden met hun wensen. Automakers en onderdelenleveranciers waren direct betrokken bij het in kaart brengen van de afmetingen, lay-out en elektrische circuits van de power-elektronische modules. Als collectief probeerden ze de beschikbare ruimte in de aandrijflijn van de voertuigen optimaal te benutten. Lars Böttcher, groepsleider bij het Fraunhofer IZM en hoofd van het SiC-subproject: “We gaan verder dan een algemene proof of concept, omdat we in dit project meer dan alleen een prototype ontwikkelen.” Het doel is om zowel het nieuwe halfgeleidermateriaal siliciumcarbide als de inbeddingstechnologie voor massaproductie te verbeteren.

Het Duitse federale ministerie van Onderwijs en Onderzoek financiert het project met 3,89 miljoen euro in het kader van de E-Mobility Call. Het project loopt tot december 2020 en omvat naast het Fraunhofer IZM zes andere partners: AixControl – Gesellschaft für leistungselektronische Systemlösungen mbH, Conti Temic Microelectronic GmbH, Rheinisch-Westfälischen Technischen Hochschule Aachen, Robert Bosch GmbH, Schweizer Electronic AG en TLK-Thermo GmbH.