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Energieeffizienz ist der Treiber
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Systemintegration

Energieeffizienz ist der Treiber

Mit der großflächigen Einführung des Internets der Dinge (IoT) und zukünftig der Künstlichen Intelligenz (KI) gibt es gleich zwei Megatrends, die die Entwicklungsnotwendigkeit energieeffizienter Elektronik- und Sensorsysteme maßgeblich vorantreiben.

Eingebettete ultra-dünne Mikrosensoren für die Zustandsüberwachung unter Verwendung von Starrflex-Technologie (Bild: Fraunhofer IZM / Foto: Volker Mai)
Eingebettete ultra-dünne Mikrosensoren für die Zustandsüberwachung unter Verwendung von Starrflex-Technologie (Bild: Fraunhofer IZM / Foto: Volker Mai)

Beim Internet der Dinge wird allein durch die extrem hohe Anzahl der prognostizierten Sensorknoten („Trillion-Sensor“-Vision von Janusz Bryzek) deutlich, dass deren Anwendung und die benötigte Netzinfrastruktur erhebliche Auswirkungen auf den Energieverbrauch haben werden. Neben energiesparenden Einzelkomponenten (Controller, Speicherbaustein, DC/DC-Wandler, Radio-Transceiver, Sensorelemente) spielt hierbei der gesamte funktionale und energetische Aufbau des Sensorknotens – vom intelligenten Energiemanagement über optimierte Software-Algorithmen und Energy-Harvesting bis zu effizienten Netzwerkstrukturen – eine entscheidende Rolle. Fraunhofer hat hier zum Beispiel im letzten Jahr das große Leitprojekt „Towards Zero Power Electronics“ gestartet. Extrem energieeffizient aufgebaute Sensorknoten können dadurch zum Beispiel eine Lebensdauer von bis zu zehn Jahren bei einem vollständig autonomen Betrieb des Sensorknotens ermöglichen.

Power Chip Scale Packages mit eingebettetem SiC-Leistungs-MOSFET (Bild: Fraunhofer IZM / Foto: Volker Mai)
Power Chip Scale Packages mit eingebettetem SiC-Leistungs-MOSFET (Bild: Fraunhofer IZM / Foto: Volker Mai)

Auch das autonome Fahren und die damit verbundene Verkehrslenkung werden ein zunehmender Wachstumsmotor für die Entwicklung von Leistungshalbleitern und energieeffizienter Leistungselektronik. Hierbei richtet sich der Fokus nicht nur auf das Elektrofahrzeug selbst, sondern dieser muss auch auf den Ausbau der gesamten Infrastruktur gerichtet werden, da der Ausbau des Stromnetzes als Smart Grid, die Digitalisierung und die dynamische Steuerung hiermit eng verbunden sind. Die Leistungselektronik gilt deshalb neben den Sensorknoten als eine der technologischen Schlüsselelemente, um die Energie bedarfsorientiert zu liefern, zu verteilen und gegebenenfalls wiederverwenden zu können. Dazu kommt, dass der Gleichstrom in Zukunft noch stärker Einzug in die öffentliche Stromversorgung halten wird. In den vergangenen Jahren gab es nicht zuletzt durch den Einsatz der Halbleiter-Materialien Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) große Entwicklungsfortschritte bei nahezu allen Leistungsdaten, wie zum Beispiel den Schaltgeschwindigkeiten, den Schaltverlusten oder den möglichen Temperaturbelastungen. Aber auch durch neue Aufbautechnologien (Power-Embedding, etc.) konnten große Fortschritte unter anderem in puncto Zuverlässigkeit, EMV und Gewichtsverringerung erzielt werden.

Zentrale Themen bei der Weiterentwicklung der Leistungselektronik sind höhere Wirkungsgrade, höhere Leistungsdichten und eine weitere Kostenreduktion. Dazu kommt, dass die Wandlungsverluste verringert und geeignete Energiespeicher eingebunden werden müssen, um energieeffiziente Gesamtsysteme zur Verfügung stellen zu können.

Auf der neu betitelten SMTconnect (ehemals SMT Hybrid Packaging) werden die aktuellen Trends der Systemintegration diskutiert und zukunftsweisende Lösungen demonstriert. Neben einer Vielzahl an Themen aus der Produktion elektronischer Systeme gibt es Schwerpunkte in den Bereichen:

  • Aufbau und Produktion von multifunktionalen Systemen
  • Komplexe, miniaturisierte Sensorsysteme
  • Aufbau heterogener System-in-Package-Lösungen auf Wafer- und Panel-Level
  • Packaging von Halbleitern und Modulen der Leistungselektronik
  • Funktionale Zuverlässigkeit von Baugruppen und Systemen
  • Optimierungen in der Elektronikproduktion (Kosten, Material und Energieeffizienz)

Der neue Name SMTconnect steht auch für die zunehmende Bedeutung von Kooperationen, um den aktuellen und sehr komplexen Herausforderungen in der Mikroelektronik und Mikrosystemtechnik zu begegnen.

„Die zunehmende Komplexität elektronischer Systeme erfordert die Nutzung modernster Technologien und eine enge Zusammenarbeit aller Partner der gesamten Wertschöpfungskette, um ganzheitliche und optimierte Anwendungslösungen zu generieren.“

Prof. Klaus-Dieter Lang, Institutsleiter, Fraunhofer IZM

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