Egal, ob das nächste Auto, das man sich anschafft, ein Elektroauto oder ein Verbrenner ist – eines kann man sich sicher sein: Unter der Haube sind nicht nur Motor, Tank oder Energiespeicher, sondern auch eine Vielzahl an Elektronikbauteilen.

Mit der Zunahme von Automatisierung, Komfort- und Assistenzsystemen wird deren Anzahl mit jeder Modellserie höher. Mit dem intensiven Elektronikeinsatz in den Fahrzeugen gehen aber auch bestimmte Ansprüche einher, was Stabilität, Langlebigkeit, Vibrations- und Temperaturbeständigkeit betrifft. Viele der Systeme sind sicherheitskritisch. Ihre Funktion sollte nicht an einer schadhaften Platine scheitern.

Einem speziellen Aspekt in diesem Themenkreis widmet sich das Projekt Solaris, das im Rahmen des Programms "Produktion der Zukunft" von der Förderagentur FFG und dem Technologieministerium unterstützt wird. Das Materials Center Leoben (MCL) widmet sich dabei gemeinsam mit der TU Wien und dem Unternehmen ZKW Elektronik, bei dem auch die Projektleitung liegt, der Integration der LED-Leuchten der Autos in deren dahinterliegende Elektroniksysteme.

Die Forschenden rund um Elke Kraker, Leiterin des Departments Microelectronics am MCL, suchen nach neuartigen Verbindungstechnologien, die mit den Temperaturen der Leuchten besser zurechtkommen. Die Kontaktstellen sollen "selbstheilende" Fähigkeiten bekommen, um entstandene Schäden selbst ausgleichen zu können.

Temperaturschwankungen

"Auf der einen Seite muss man die Temperaturschwankungen sehen, die von außen kommen. Die Technologie in den Autos muss in der Hitze der Sahara genauso gut funktionieren wie in der Kälte Alaskas", erklärt Kraker. "Auf der anderen Seite entsteht auch durch den Betrieb selbst Wärme. Auch LEDs werden warm, und die Wärme muss abgeführt werden. Die Temperaturschwankungen verändern die Materialeigenschaften, was ein Fehlverhalten verursachen kann. Man kann es mit einer Bierflasche im Tiefkühlfach vergleichen – bleibt sie zu lange drin, zerreißt es die Flasche."

Je nach LED-Variante können in den Bauteilen Temperaturen von bis zu 80 Grad Celsius entstehen. Das ist genug, um mit der Zeit die sogenannten Lote – spezielle Legierungen, die für die hauchdünnen Kontakte zwischen LEDs und Leiterplatten verwendet werden – in Mitleidenschaft zu ziehen.

Es entstehen darin Risse und kleine Löcher, die die Fähigkeit, Wärme abzuleiten, nach und nach beeinträchtigen. "Wir versuchen die Lote so zu designen, dass sie den Anforderungen ihres Umfelds entsprechen", sagt die Forscherin. "Ein spezieller Materialmix soll ihnen die Eigenschaft geben, sich selbst zu heilen."

Diese Selbstheilungsfunktion basiert auf Materialien mit verschiedenen Schmelzpunkten. "Wenn eine bestimmte Grenztemperatur erreicht ist, soll sich ein Teil der Legierung verflüssigen und Löcher und Risse wieder auffüllen", erläutert Kraker.

Materialmix

Welche Materialien im Fokus des Projekts stehen, wird nicht preisgegeben. Nur so viel: "Ausgangspunkt der Forschungen in diesem Bereich sind die sehr gut bekannten Zinn-Bismut-Legierungen, die das Prinzip der unterschiedlichen Schmelzpunkte zeigen. Für unsere Anwendung wäre diese Variante zwar nicht geeignet, sie ist aber die Basis für die Suche nach neuen Materialzusammensetzungen mit ähnlichem Effekt."

Im Entwicklungsprozess setzt man beim MCL auf Simulationen und ein selbstentwickeltes Testverfahren. "Die Simulationen sollen uns zeigen, wo wir genau hinschauen sollen. Sie beantworten die Frage, wo im Material mit hoher Wahrscheinlichkeit Stresszonen auftreten werden, die Risse und Löcher entstehen lassen", sagt Kraker.

Um im Rahmen eines Testaufbaus in die Kontakte tatsächlich "hineinschauen" zu können, messen die Forschenden, wie sich die elektrische Spannung in ihnen verhält, wenn die LED ausgeschaltet wird.

"Wir können dieses Verhalten in eine sogenannte Temperaturtransiente umrechnen, die Aufschluss über den Wärmefluss gibt", erklärt die Forscherin. "Wenn es hier plötzlich eine Veränderung gibt, können wir auf eine Schädigung rückschließen." In Zukunft soll durch diese Tests auch die Selbstheilung beobachtet werden können. (Alois Pumhösel, 18.10.2020)