A magyar részvétel biztosítása a “HORIZON-KDT-JU-2021-1-IA 101096387” számú “PowerizeD” projekt megvalósításában
A PowerizeD projekt átfogó célja áttörést jelentő technológiák kifejlesztése a digitalizált és intelligens teljesítmény elektronika számára, melynek révén elősegíthető a fenntartható és rugalmas energiatermelés és -átvitel, valamint a teljesítmény elektronikai alkalmazások kialakítása. E célok elérése érdekében a PowerizeD projekt a teljesítményelektronikai eszközök intelligens működtetésére és vezérlésére összpontosít, eszköz szinttől egészen rendszerszintig, függetlenül a teljesítmény elektronikai eszköz alapját képezőfélvezető anyagtól. A projekt főként szilícium IGBT eszközök, valamint SiC MOSFET-ek 600 V és 6500 V közötti feszültségtartományra tervezett intelligens meghajtóira vonatkozó koncepciókat alakít ki, vizsgál és alkalmaz, az egyes végfelhasználói igényekhez illeszkedő feszültségtartományokban.
A PowerizeD projekt megvizsgálja a szükséges anyagok elérhetőségét és a fenntartható felhasználásra gyakorolt hatást. Az élvonalbeli tiszta technológiai újításokat kombinálva, a PowerizeD új szintre emeli az elektronikai eszközök és rendszereket, ezzel is hozzájárulva a tényleges Európai Zöld Megállapodásban meghatározott fenntarthatósági célok eléréséhez.
A nemzetközi projekt két jelentős részterülete a szóban forgó alkatrészek és modulok digitális ikreinek kialakítása, valamint ezen eszközök termikus problémáinak kezelése alkalmas termikus határfelületi anyagok, jó hővezető kerámiák révén. A magyar nemzeti konzorcium tagja e területek nemzetközileg ismert és elismert képviselői, a nemzetközi projekt érintett részfeladatainak fontos hozzájárulói.
Tartalmi összefoglaló
A nemzetközi PowerizeD projekt átfogó célja a digitalizált és intelligens energiaellátás áttörést jelentő technológiának fejlesztése a fenntartható és rugalmas energiatermelés, energiaátvitel és energetikai alkalmazások lehetővé tétele érdekében. A projekt keretében kifejlesztett új áramkörmodellek alkalmazása, fejlett vezérlési stratégiák és mesterséges intelligencia alkalmazások kidolgozása lehetővé teszi az Ipar 4.0 elveinek megfelelő vezérlések kialakítását, ami robusztusabb és megbízhatóbb működéshez vezet. Ehhez elengedhetetlen az alkalmazásra kerülő teljesítmény félvezető eszközök, illetve az azokat magukba foglaló modulok digitális ikreinek kialakítása, különös tekintettel a félvezető lapka szinttől a teljes rendszer szintig a termikus és megbízhatósági aspektusokra.
A projekt az újonnan kifejlesztett technológiákat egyes alkalmazási esettanulmányok köré szervezi, de egyes technológiai vonatkozások (pl. a termikus vonatkozások) minden demonstrációs esettanulmányra vonatkoznak (ún. cross topic-ok). A számos esettanulmány és a kb. fél tucat ilyen cross topic indokolja a nemzetközi konzorcium és a projekt tervezett költségvetésének a méretét: a konzorciumban részt vesznek a teljesítmény elektronika legfontosabb európai ipari stakeholder-ei (pl. félvezetőgyártók, mint pl. az Infineon és Bosch európai entitásai), valamint az egyes alkalmazási területeken aktív ipari partnerek és a vonatkozó speciális részterületeken (mind az alkalmazások, mind a cross topic-ok terén) aktív akadémiai kutató csoportok (egyetemek, kutató intézetek).
A magyar konzorcium tagjai ezen utóbbi kategória képviselői, így a magyar nemzeti konzorcium elősegíti egyes technológiák fejlesztését (termikus karakterizálás, megbízhatósági vizsgálatok, digitális ikrek fejlesztése az öregedés figyelembe vételével predictive maintenance sémák számra), új kerámia anyagszerkezetek fejlesztése és vizsgálata (teljesítmény félvezető eszközök tokozása számára).
Feladatok
A Budapesti Műszaki és Gazdasági Egyetem (BME) és az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet alkotta konzorcium fő célja PowerizeD projekt keretében a szakmai tudáson alapuló együttműködés a digitalizált és intelligens energia áttörést jelentő technológiák kifejlesztéséhez, az elektronika a fenntartható és rugalmas energiatermelés érdekében.
A BME Elektronikus Eszközök Tanszékének több mint 2 évtizedes tapasztalata van európai uniós finanszírozású kutatási projektekben való részvétel tekintetében, különös tekintettel az elektronika, ill. a félvezető eszközök termikus problémáival foglalkozó kutatások terén. Félvezető eszközök és azok tokozásának, a tokokban alkalmazott anyagok termikus vizsgálatával 1986-ban kezdett foglalkozni a tanszék, 1994. óta folyamatosan EU-s K+F projektek támogatásával is. A kezdetben csak a tokok roncsolásmentes struktúrális vizsgálatát lehetővé tevő termikus tranziens méréseket követő struktúra függvény analízis módszeét sikeresen kiterjesztettük termikus határfelületi anyagok minősítésére, majd megoldást dolgoztunk ki e módszernek a félvezető tokok teljesítmény cikláláson alapulú megbízhatósági vizsgálatai közben történő in-situ, kvázi valósidejű alkalmazására (EU FW7 NANOPACK és NANOTHERM projektek). Az EU FW7 NANOTHERM projektben e módszerrel végeztük a PowerizeD partner Infineon és Bosch teljesítmény tranzisztorainak termikus megbízhatósági vizsgálatait. E módszert felhasználva működik a SIEMENS SIMCENTER PowerTester ipari mérőrendszere (az egykori BME spin-off MicReD terméke), amely mára a teljesítmény félvezetők (teljesítmény MOSFET-ek, IGBT modulok, különböző SiC és GaN alapú ún. wide-bandgap félvezetők) megbízhatósági vizsgálatainak de facto ipari standard eszközévé vált, különösen a közlekedési és energetikai eszközök (elektromos autók, villanymozdonyok, megújuló energiaforrásokhoz kapcsolódó nagyfeszültségű DC-DC átalakítók) alkalmazási területén. Az ilyen félvezető eszközök (pl. IGBT-k) tokozása terén az új, elektromos szigetelő de jó hővezető kompozit anyagok (pl. aluminium-oxid kerámiák) jelentősége hatalmas, termikus tulajdonságaik alkalmazási körülmények közötti méréssel való jellemzése fontos a mind félvezetőgyártók, mind a végfelhasználók számára.
A BME termikus kutató csoportjának tagjai az electronics cooling szakma Oscar-díjának számító “Harvey Rosten Award for Excellence in Electronics Cooling” díjat 2000. óta 3 alkalommal is átvehették a Szilíciumvölgy fővárosában, a kalifroniai San Jose-ban, legutóbb 2018-ban (www.rosetnawards.org) Az elmúlt 5 éves, a teljesítmény félvezetők termikus modellezésével és élettartam kérdéseivel kapcsolatos kutatásaink eredményeképpen a tanszék munkatársai egy MTA doktora címe és 3 PhD fokozatot szereztek.
Az Energiatudományi Kutatóközpont Műszaki Fizikai és Anyagtudományi Intézet (EK MFA) munkatársai közel 20 éves tapasztalattal rendelkeznek az újszerű kerámiák fejlesztésében. A PowerizeD projekt keretében különféle műszaki kerámiák (Si3N4, SiC, AlN, Al2O3) fejlesztését, szerkezeti vizsgálatukat végezzük. A partnerek által használt szubsztrátok bevizsgálását, validálását és hitelesítését segítjük elő. Az EK feladata egy új szinterelési technológia kifejlesztése kerámia szubsztrátok előállításához. Emellett vizsgálják az öregítés hatását a szerkezetre és egyéb tulajdonságokra. A projekt végső fázisában laboratóriumi körülmények között demonstrálják az újszerű kerámia szubsztrátok technológiai megvalósítását kis mennyiségű prototípus előállításával.
Az EK hozzájárulása az újszerű szerkezetű kerámiaanyag fejlesztése, mely kiterjeszti a chipek és mikroelektronikai kerámia alkatrészek élettartamát és biztonságos használatát, az anyag-szerkezet-tulajdonságok kapcsolatának ismerete az öregítés hatására.
Konkrét feladatok
- Követelmények meghatározása szerkezeti és előállítási szempontokból
- Kerámia szubsztrátok szerkezeti, mechanikai és előállítási paraméterek meghatározása technológiai szempontból
- Referencia és újszerű kerámia szubsztrátok szerkezeti vizsgálata
- Újszerű kerámia szubsztrátok technológiai demonstrációja laboratóriumi körülmények között
A projekt keretében 11 kutató (köztük fiatal kutató, postdoctor, PhD diák), 5 technikus és 1 projektmenedzser segíti a fejlesztéseket. A feladatok főként alapkutatás és az utolsó szakaszban ipari fejlesztés. Mivel az egyes feladatok és a mérföldkövek mennyisége és szakmai hozzájárulása éves szinten hasonló, a projekt finanszírozása egyforma 3 részre ütemezve évi 55 MFt. Az éves költség magában foglalja a kutatók, technikusok és egyéb adminisztratív bérköltséget, ezekhez tartozó járulékokat. A projektben vállalt feladatok jellege megköveteli az anyagköltséget, pl. a kerámia porok, szinterelési segédanyagok vagy szerkezetvizsgálathoz szükséges TEM gridek beszerzését.
A konzorcium 12 feladat megvalósítását vállalja 3 mérföldkő teljesítésével.