EU-Projekt FastLane stärkt SiC-Wertschöpfung

Die globale Elektronikindustrie befindet sich in einem tiefgreifenden Wandel, angetrieben durch die Nachfrage nach höherer Effizienz, ökologischer Nachhaltigkeit und strategischer Autonomie. In diesem sich wandelnden Umfeld hat sich Siliziumkarbid (SiC) als ein zentraler Wegbereiter für Leistungsanwendungen der nächsten Generation etabliert. Um dieses Potenzial vollständig auszuschöpfen, unterstützt das 2024 gestartete europäische Projekt FastLane die Unabhängigkeit der EU bei kritischen Rohstoffen, entwickelt eine eigenständige SiC-Rohstoff- und Bauelementelieferkette und erweitert die Funktionalitäten von SiC, um bestehende Einschränkungen zu überwinden.

Welche Ziele verfolgt das EU-Projekt FastLane?

FastLane ist eine dreijährige, von der Europäischen Union kofinanzierte Initiative, die 29 Partner aus sieben Ländern zusammenbringt, darunter führende Forschungseinrichtungen, spezialisierte KMU und große Industrieunternehmen. Unter der Koordination von Valeo verfolgt das Konsortium das Ziel, die Energieeffizienz zu steigern und den CO₂-Fußabdruck der Leistungselektronik zu verringern, indem eine robuste, unabhängige SiC-Lieferkette entwickelt wird – vom Rohmaterial bis hin zu Systemdemonstratoren. Durch die Nutzung von Skaleneffekten treibt FastLane kosteneffiziente Anwendungen zur Energieumwandlung voran und stärkt damit Europas technologische und wirtschaftliche Resilienz in der Leistungselektronik.

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Redaktion

Die umfassende Struktur des Projekts erstreckt sich über mehrere Arbeitspakete und kooperative Aktivitäten und deckt die gesamte Wertschöpfungskette der SiC-Leistungselektronik ab. Dazu gehören Materialentwicklung, Bauelementefertigung, Packaging-Innovationen und die abschließende Systemintegration.

Materialinnovationen für SiC-Leistungsmodule

Innerhalb des FastLane-Konsortiums spielt die Materialentwicklung eine zentrale Rolle, um Aufbau und Leistung fortschrittlicher SiC-Leistungsmodule zu ermöglichen. Zu den Mitwirkenden gehört Heraeus Electronics, das die Integration von sechs unterschiedlichen SiC-Moduldesigns durch drei spezialisierte Packaging-Technologien unterstützt. Diese Innovationen adressieren zentrale Herausforderungen im Wärmemanagement, in der elektrischen Performance und in der Zuverlässigkeit – allesamt entscheidende Faktoren für die Leistungselektronik der nächsten Generation.

Der Schwerpunkt des Unternehmens liegt auf der Entwicklung umweltverträglicher Materialien, die Miniaturisierung, Forward-Integration und hocheffiziente Energieumwandlung ermöglichen. Als Reaktion auf branchenweite Veränderungen – etwa den Aufstieg der E-Mobilität, von KI und Kommunikationstechnologien der nächsten Generation – ist kollaborative Innovation entlang der gesamten Wertschöpfungskette unerlässlich geworden. Heraeus Electronics beteiligt sich an gemeinsamen Forschungsaktivitäten mit akademischen Einrichtungen, Start-ups, Ausrüstungsanbietern und Endanwendern und trägt über EU-geförderte Initiativen und Industrieverbände zur Entwicklung des gesamten Ökosystems bei.

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Sebastian Fahlbusch

Technische Innovationen

Um das FastLane-Projektziel einer höheren Effizienz von Leistungsmodulen zu erreichen, ermöglichen SiC-Dies einen Betrieb bei >175 °C, mit höheren Schaltfrequenzen und gesteigerten Leistungsdichten. Für ihre effektive Nutzung werden jedoch fortschrittliche Packaging-Materialien benötigt. Heraeus bringt im Rahmen von FastLane folgende Schlüsselinnovationen ein:

1. Ag-Sinterpasten zur Befestigung von Active-Metal-Brazed-(AMB)-Substraten ohne Edelmetalloberflächen
2. Ag-freie AMB-Substrate mit Designs zur Verringerung parasitärer Induktivitäten
3. Die Top System (DTS) für zuverlässiges Cu-Bonden auf SiC-Dies

1. Silbersintern zur Befestigung von AMB-Substraten auf Aluminium-Grundplatten

Um sowohl Kosten als auch Gewicht beim Packaging von SiC-Leistungsmodulen zu reduzieren, hat Heraeus die Silbersinterpaste PE 360P entwickelt. Sie ermöglicht die Befestigung von Active-Metal-Brazed-(AMB)-Substraten auf Aluminium-Grundplatten, ohne dass Edelmetalloberflächen erforderlich sind.

Diese Innovation bietet erhebliche Vorteile:

• Bis zu 70 Prozent Gewichtsreduktion 

• Kosteneinsparungen von bis zu 91 Prozent gegenüber Kupfer-Grundplatten

Erste Ergebnisse mit PE 360P zeigen bereits bei Cu-beschichteten Al-Grundplatten nach 1500 Temperaturzyklen (–55 °C/+150 °C) eine robuste Haftung der AMB-Substrate und minimale Delamination (<5 Prozent), vergleichbar mit ähnlichen Ag-beschichteten Grundplatten. Im Gegensatz dazu gewährleisten Ni-beschichtete Al-Grundplatten keine ausreichende Haftung. Die laufenden Arbeiten konzentrieren sich daher auf die weitere Optimierung des Ag-Sinterns direkt auf mit Nichtedelmetallen beschichteten Al-Oberflächen.

Dieser Ansatz unterstützt ein skalierbares und kosteneffizientes Packaging für hochleistungsfähige SiC-Module.

2. Silberfreie, induktivitätsarme AMB-Substrate

Die zweite große Innovation konzentriert sich auf die Entwicklung silberfreier, induktivitätsarmer AMB-Substrate auf Basis von Si₃N₄-Keramik. Ziel ist es, parasitäre Induktivitäten zu senken und gleichzeitig die Kosteneffizienz zu verbessern.

Wesentliche Vorteile sind:

• Niedrigere Kosten durch Verzicht auf Silber (Ag-Gehalt >60 Gew.-Prozent in herkömmlichen AMB-Pasten) 

• Geringere Ag-Migration für eine höhere Zuverlässigkeit 

• Überlegene Performance im Vergleich zu traditionellen DCB-Substraten (Direct Copper Bonded)

Die Rasterakustikmikroskopie bestätigte die Zuverlässigkeit dieser AMB-2.0-Substrate nach Temperaturschocktests (–65 °C bis +150 °C). Ihre Performance ist mit Ag-haltigen AMB-Substraten vergleichbar, übertrifft DCB-Substrate und erfüllt sämtliche Kundenspezifikationen. Als nächster Schritt ist ihre Integration in Valeos induktivitätsarme Leistungsmodule vorgesehen.

Diese Innovation stärkt zudem die europäische AMB-Lieferkette, da sich alle wichtigen Fertigungspartner – einschließlich Metall- und Keramiklieferanten sowie des Technologie- und Produktionsstandorts von Heraeus Electronics – in Europa befinden. Das trägt zur Risikominimierung bei, verbessert die Stabilität der Lieferkette, reduziert CO₂-Emissionen und stärkt die Marktposition der EU. Um weltweit sichere Lieferfähigkeit zu gewährleisten, verfolgt Heraeus Electronics zusätzlich eine Dual-Source-Strategie in Asien.

3. Die Top System für Kupferdrahtbonden

Der dritte Baustein adressiert die Oberseitenkontaktierung, einen entscheidenden Faktor für hohe Zuverlässigkeit in SiC-Modulen. Heraeus hat das Die Top System (DTS) in Zusammenarbeit mit europäischen Partnern entwickelt. Dieses System basiert auf einer Kupferfolie mit bereits aufgebrachtem Sintermaterial und ermöglicht Kupferdrahtbonden mit einer mehr als zehnfach verbesserten Zuverlässigkeit im Vergleich zu Aluminium-Bondverbindungen.

Das industrialisierte DTS-Silver ersetzt die NiPdAu-Metallisierung durch eine Ag-Beschichtung und gewährleistet damit:

• Vereinfachtes Sintern 
• Zuverlässiges Kupferbonden auf SiC-Dies

Zur künftigen Weiterentwicklung gehört laserstrukturiertes DTS-Silver für feinere Drahtbondgeometrien bis hinunter zu 0,5 × 0,5 mm². Diese fortschrittlichen Interconnects werden in FastLane-Leistungsmodulen auf Performance und Zuverlässigkeit bewertet.

Erste Ergebnisse aus dem FastLane-Projekt

Im ersten Jahr von FastLane haben Heraeus Electronics und seine Partner erfolgreich drei zentrale Packaging-Innovationen geliefert:

1. Entwicklung einer Ag-Sinterpaste zur Befestigung von AMB-Substraten auf Ag-metallisierten Aluminium-Grundplatten als Ersatz für konventionelles Kupfer
2. Entwicklung silberfreier AMB-Substrate auf Basis von Si₃N₄-Keramik zur Senkung von Kosten und Induktivität
3. Entwicklung von DTS-Systemen für zuverlässiges und kosteneffizientes Kupferdrahtbonden auf SiC-Dies

Diese Technologien befinden sich nun in der Integrations- und Zuverlässigkeitserprobung über mehrere Anwendungsfälle für Leistungsmodule hinweg. Diese Arbeiten laufen bis Juni 2027 weiter – mit dem Ziel, Performance, Effizienz und Resilienz von SiC entlang der europäischen Wertschöpfungskette für Leistungselektronik zu steigern.

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Mike Sandyck

Ausblick auf die Weiterentwicklung von SiC in Europa

Durch die Integration fortschrittlicher SiC-Technologien in maßgeschneiderte Demonstratoren in den Bereichen Mobilität und Energie erfüllt FastLane fünf zentrale Zielsetzungen:

Das Projekt will die Umweltwirkungen der Leistungselektronik verringern, indem die Energieeffizienz verbessert und der CO₂-Fußabdruck von Materialien und Prozessen gesenkt wird. Gleichzeitig trägt es dazu bei, die europäische Souveränität bei kritischen Rohstoffen zu stärken, indem eine unabhängigere und widerstandsfähigere SiC-Lieferkette aufgebaut wird.

Darüber hinaus konzentriert sich das Projekt darauf, neue Funktionalitäten in SiC-Bauelementen und im Packaging zu erschließen, um einen Betrieb bei höheren Temperaturen, Schaltfrequenzen und Leistungsdichten zu ermöglichen. Die Kostenoptimierung wird durch Innovationen bei Materialien und skalierbaren Fertigungstechniken vorangetrieben. Schließlich unterstützt FastLane die beschleunigte Innovation in der Leistungselektronik der nächsten Generation, indem es die Zusammenarbeit zwischen Forschungseinrichtungen, Industriepartnern und Technologieentwicklern fördert – und letztlich die Nutzbarkeit und Bezahlbarkeit für Endanwender verbessert.

Die Beiträge aller FastLane-Partner ermöglichen die Entwicklung von SiC-Leistungsmodul-Demonstratoren, die auf spezifische Endanwenderanwendungen zugeschnitten sind.

E-Mobilität: 

• Leichte Nutzfahrzeuge (UCs 1.1 & 1.2a) für Anwendungen mit hohen Stückzahlen 
• Ultra-Class-Haul-Trucks (UC 1.2b) für Hochleistungsanwendungen in anspruchsvollen Heavy-Duty-Umgebungen

Energiesysteme: 

• Leistungsinverter für Elektrolyseure (UC 2.1) zur Unterstützung der grünen Wasserstoffproduktion 
• Festkörper-Leistungsschalter (UC 2.2) für Netzschutz und fortschrittliche Batteriespeicher

Diese Demonstratoren werden die technische Machbarkeit und Leistungsfähigkeit von SiC-Modulen unter realen Einsatzbedingungen validieren. Zusammengenommen sollen diese Aktivitäten Europa an die Spitze nachhaltiger, hochleistungsfähiger Leistungselektronik bringen – auf Basis von Siliziumkarbid. (bs)