Ressourcenschonendes Packaging für eine Hochvolt-Elektronikkomponente

Die Firma Possehl Electronics GmbH mit Sitz in Niefern, Süddeutschland ist mit seinen 450 Mitarbeitenden weltweit tätig und fertigt Packages für Elektronikkomponenten. Um auf dem globalen Markt wettbewerbsfähig zu bleiben, sind Innovationen ein wichtiger Bestandteil der Unternehmensstrategie.

Der von Possehl entwickelten Smart Chip, bietet einen neuen Lösungsansatz Elektronik modular zu gestalten. Wesentliche Funktionen sind der zuverlässige Schutz der Komponenten vor Umgebungseinflüssen sowie die Abführung der durch die Verlustleistung entstehenden Wärme.

Um die Potenziale des Smart Chips zu verbessern, wird bei dem Packaging Konzept darauf geachtet, dass Teile des Packaging wiederverwertbar bleiben auch wenn Komponenten ausgetauscht werden müssen. Durch diese Möglichkeit ergibt sich der Zusatznutzen der Reparierbarkeit der Komponenten.

Ausgangssituation

Die Firma Possehl hat mit dem Stackpac ® eine neuartige Packaging-Technologie entwickelt. Diese Technologie bietet das Potenzial, ein extrem ressourcenschonendes Packaging für Hochvolt-Elektronikkomponenten zu realisieren. Dies wird unter anderem durch folgende Eigenschaften der Stackpac® Technologie begünstigt:

• Herstellungsprozess mit geringem Abfallanteil aus dem Stanzprozess, der zudem sehr gut rezyklierbar ist
• Verwendung von rezyklierbaren Package-Materialien
• Minimierte Anzahl von Fertigungsstufen zur energie-/ressourcenschonenden Herstellung hochfunktionalisierter Packages.
• Miniaturisierte Anordnung von Leistungs- und Steuerelektronik, die einen sehr verlustarmen Betrieb der Hochvolt-Eletronikkomponente ermöglicht.

Umsetzung/Herausforderung/Lösung

Die Fa. Possehl hat mit dem Mittelstand-Digital Zentrum Klima.Neutral.Digital und dem Projektpartner Hahn-Schickard bereits in einem Innovationsworkshop konkrete Verbesserungen am Produkt entwickelt. Der digital unterstützte Designprozess für das fertige Hochvolt-Elektronikbauteil wurde im anschließenden Digitalisierungsprojekt weiterentwickelt.

Eine Herausforderung bei der Verwendung von rezyklierbaren Werkstoffen, wie Polymeren, ist deren schlechte Wärmeleitfähigkeit. Um diese für Stackpac ® bewerten zu können, wurden Erfahrungen und Ergebnisse aus ähnlichen Projekten mit digitalen Werkzeugen, wie z. B. die thermisch transiente Messung (Zth-Messung, siehe Bild), zur Bestimmung der thermischen Impedanz herangezogen.

Daraus lässt sich ableiten, dass eine beidseitige Kühlung sehr vorteilhaft wäre. Folglich wurde ein digitaler Demonstrator entwickelt, um die technische Realisierbarkeit aufzuzeigen. Dies beinhaltet die Integration von Leadframes und „Kälteplatte“, um die Wärme entsprechend abzuführen. Darüber hinaus wurde für Anwendungen mit hohen Anforderungen konzeptionelle Vorschläge zur Verkapselung entwickelt. Dabei wurden Duroplaste als Substrat- und Verkapselungstechnologie bewertet. Die Vorteile von Duroplast in diesem Kontext sind wie folgt:

• Einstellbare Wärmeleitfähigkeit
• Erhöhte mechanische Stabilität
• Erhöhte thermische Stabilität
• Verringerte Wandstärken
• Umspritzen sensitiver Komponenten
  z.B. Bare Dies, LEDs, Lichtleiter

Anhand der konkreten Verbesserungsvorschläge soll die Eignung der Aufbau- und Verbindungstechnik für Hochvolt-Elektronikkomponenten untersucht und bewertet werden. Im Sinne des Digital Engineering wird der Entwurfsprozess durch digitale Entwicklungs- und Simulationswerkzeuge unterstützt. Der Herstellungsprozess der Stackpac® Technologie selbst ist nachhaltig, da ressourcenschonende Prozesse sowie im Gegensatz zu den standardmäßig verwendeten Duroplast-Packages rezyklierbare Packaging-Materialen eingesetzt werden können. Die untersuchte Hochvolt-Elektronikkomponente ist ein Enabler für Anwendungen im Bereich der Elektromobilität und der der erneuerbaren Energien (Wechselrichter, Windkraftanlagen, …).

Ergebnisse + Nutzen

Durch das Projekt wird Possehl in die Lage versetzt, fundierte Investitionsentscheidungen für die Markteinführung der zukunftsweisenden und ressourcenschonenden Stack Pac®-Technologie zu treffen.

Von den Ergebnissen des Digitalisierungsprojektes verspricht sich Possehl eine schnelle und digital gestützte Ableitung konkreter technischer Eigenschaften möglicher Produktrealisierungen sowie eine einfachere Ableitung von Marktpotenzialen, z.B. im Bereich der E-Mobilität oder der regenerativen Energieversorgung.