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High Temperature Electronics

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Elektronik für extreme Umgebungen

Die heute übliche Flugzeugmotor-Steuerelektronik arbeitet im Allgemeinen unterhalb von 120 Grad Celsius im sicheren Bereich. Ein EU-finanziertes Projekt entwickelte die dazugehörige Elektronik- und Materialtechnologie, um einen zuverlässigen Betrieb bei höheren Temperaturen zu ermöglichen.

Industrielle Technologien

Die in der Regel am Triebwerksgehäuse montierten Motorsteuerungseinheiten sorgen unabhängig von der hohen Temperaturen, denen sie ausgesetzt sind, für einen sicheren und optimalen Triebwerksbetrieb. Sie in den Triebwerkskern zu bringen, hätte jedoch viele Vorteile. Dabei geht es um reduzierte Systemkomplexität und weniger Gewicht, vereinfachte Montage sowie Wartung und aerodynamische Verbesserungen am Rumpf. Die typischen Betriebstemperaturen im Triebwerkskern sind im Vergleich viel höher als die im Mantelstromgehäuse. In einer derartigen Umgebung würden die heute üblichen elektronischen Steuereinheiten eine schlechtere Leistungsfähigkeit, geringere Zuverlässigkeit und eine extrem kurze Lebensdauer aufweisen. Das EU-finanzierte Projekt HITME (High temperature electronics) legte den Grundstein für die Entwicklung eines sicherheitskritischen elektronischen Steuerungssystems, das Motortemperaturen oberhalb von 300 Grad Celsius standhält. Noch bessere topmoderne elektronische Bauteile waren ein Hauptziel. Schwerpunkt waren Komponenten auf Basis von Hochtemperatur-Silizium-auf-Isolator-Prozessen, die den Arbeitsbereich der konventionellen Siliziumverarbeitung auf den Einsatz in rauen Umgebungen erweitern. Überdies betrachteten die Wissenschaftler Komponenten auf Basis von Siliziumkarbid, die für eine längere Zeitdauer bei Temperaturen oberhalb von 300 Grad Celsius betrieben werden können. Der verstärkte Einsatz von Elektronik in rauen Umgebungen sowie steigende Dichten und Leistungen der Elektronikbauteile erfordern geeignete Wärmemanagementlösungen. Das Projekt schlug aktive Kühllösungen und Dämmungsansätze für das Halbleitermaterial (Gussform), das Metallgehäuse (Package) und das Substrat vor. Darüber hinaus erforschten die Wissenschaftler die Möglichkeit des Einsatzes intelligenter Elektronik zum Schutz empfindlicherer Bauteile und zur Reduzierung der Wärmeerzeugung im Inneren. Eine weitere zentrale Aktivität in Richtung auf das Projektziel war die Entwicklung innovativer Materialien für Packaging und Verbindungen (Interkonnektoren). Über die Leistungsfähigkeit der bisher verwendeten Materialien auf Grundlage von Metallen oder Keramiken bei Temperaturen von über 250 Grad Celsius ist nicht ausreichend viel bekannt. Wissenschaftler fanden heraus, dass nicht-leitende Klebstoffe zuverlässiger als leitfähige sind. Außerdem zeigten Klebstoffe auf Basis von Cyanatester bessere Wärmespeicherungseigenschaften als Epoxidverbindungen. HITME gelang die erfolgreiche Entwicklung zweier Demonstratoren, um die während der gesamten Projektlaufzeit entwickelten Konzepte zu testen. Der erste wurde zur Beurteilung von Schaltungsfunktionen bei hohen Temperaturen eingesetzt, während der zweite der Bewertung von Integrität, Montage und Anschluss eines kleinen autonomen austauschbaren Moduls (Line Replaceable Unit) diente.

Schlüsselbegriffe

extreme Umgebungen, Motorsteuereinheiten, Triebwerkssteuerungen, Hochtemperaturelektronik, Silizium-auf-Isolator, Wärmemanagement

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