Modulare GaN Leistungshalbleiter Galliumnitrid-Halbleiter für weniger Energieverbrauch

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Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration IZM

Vogt AG Verbindungstechnik

Im EU-Projekt All2GaN entwickeln Forscher GaN-Leistungshalbleiter mit dem Ziel den Energieverbrauch zu senken. Nanoporöses Gold gilt dabei als Gamechanger. Fraunhofer IZM treibt mit führender Expertise in Verbindungstechnik die Miniaturisierung und Nachhaltigkeit zukünftiger GaN-Elektronik voran.

Galliumnitrid gilt als einer der wichtigsten Halbleiterwerkstoffe für die Elektronik der Zukunft. Im Vergleich zu Silizium ermöglicht GaN höhere Leistungsdichten, geringere Schaltverluste und höhere Frequenzen – ein entscheidender Vorteil für Anwendungen in Telekommunikation, Rechenzentren, E Mobilität, erneuerbaren Energien und Smart Grid Systemen.

Die im Projekt All2GaN («Affordable smart GaN IC solutions for greener applications») entwickelten Bauelemente werden in elf industriellen Use Case Demonstratoren getestet, um das Effizienzpotenzial systematisch zu bewerten. Über alle Anwendungsfälle hinweg erwarten die Forscher eine durchschnittliche Verlustreduktion von rund 30 Prozent und wollen eine Integrations Toolbox entwickeln, die eine neue Generation modularer, leicht integrierbarer GaN Leistungshalbleiter präsentiert.

Die Entwicklung geeigneter Verbindungstechnologien auf Leiterplatte ist essenziell, um die Vorteile von Galliumnitrid in realen Anwendungen nutzen zu können. Während andere Projektpartner klassische Lötverfahren oder Sintertechnologien untersuchen, konzentrieren sich die Fraunhofer IZM-Wissenschaftler auf die Thermokompression – ein Verfahren, welches sich besonders für Fine-Pitch-Anwendungen mit Strukturgrössen im Bereich < 10 µm eignet.

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Nanoporöses Gold als Gamechanger für feine Strukturen und robuste Verbindungen

Eine zentrale Rolle spielt dabei das am Fraunhofer IZM entwickelte nanoporöse Gold (NPG), welches aus einem dreidimensionalen Netzwerk aus feinen Goldligamenten im Nanometerbereich besteht, das durch das selektive Herauslösen von Silber aus einer Gold-Silber-Legierung entsteht. Im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung mikroelektronischer Systeme rückt das Material zunehmend in den Fokus moderner Verbindungstechnologien.

NPG gilt als vielversprechende Alternative zu konventionellen Verfahren und eröffnet neue Möglichkeiten für zuverlässige Fügetechniken, da es eine lötfreie Fügetechnologie zur direkten Chipkontaktierung auf organischen Leiterplatten ermöglicht und aufgrund seiner schwammartigen Struktur ein deutlich erweitertes Prozessfenster bietet als Lötverfahren. Dank seines besonderen Deformationsverhaltens lassen sich auf engstem Raum präzise und stabile Verbindungen realisieren. Gleichzeitig können durch seine poröse Struktur vergleichsweise grosse Topographien auf den zu verbindenden Oberflächen effektiv ausgeglichen werden. Vorteilhaft ist ebenso die grosse spezifische Oberfläche des Materials, welche stoffschlüssige Verbindungen bereits bei vergleichsweise niedrigen Temperaturen erlaubt. Dies reduziert thermische Belastungen empfindlicher Bauteile erheblich.

Damit positioniert sich nanoporöses Gold als zukunftsweisendes Material für hochpräzise Anwendungen, insbesondere dort, wo klassische Löttechniken an ihre physikalischen und technologischen Grenzen stossen.

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Mehr Effizienz und Nachhaltigkeit durch neue Material- und Systemansätze

Neben der technologischen Weiterentwicklung steht im Projekt vor allem die Nachhaltigkeit im Fokus. All2GaN ist Teil der europäischen Strategie zur Umsetzung des Green Deal – übergeordnetes Ziel ist die Entwicklung energieeffizienter und ressourcenschonender Technologien.

GaN-basierte Schaltungen tragen durch geringere Energieverluste direkt zur Reduktion des Energieverbrauchs bei. Gleichzeitig ermöglichen innovative Packaging-Ansätze wie der Einsatz von nanoporösem Gold eine materialeffizientere Integration und erhöhen die Lebensdauer der Bauteile.

Das hochgerechnete Einsparpotenzial ist erheblich: Mit der korrekten Anwendung GaN-basierter Schaltungen können langfristig rund 86TWh pro Jahr in der EU allein eingespart werden. Das entspricht etwa 43 Megatonnen CO2 jährlich. Global entspräche dies 218 Megatonnen CO2 – ungefähr die jährlichen CO₂-Emissionen eines mittleren Industrielandes wie Spanien.

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