Entwicklung von hochwärmeleitfähigen Siliciumnitridkeramiken aus Silicium-Rezyklaten für die Anwendung in der Leistungselektronik und in Halbleiterherstellungsprozessen
SiR2SiN entwickelt hochwärmeleitfähige Siliciumnitridkeramiken aus recyceltem Silicium. Diese Materialien sind besonders relevant für Leistungselektronik und Halbleiterfertigung. Durch den Einsatz von Sekundärrohstoffen werden Energieverbrauch und CO₂-Emissionen erheblich gesenkt.
Hochwärmeleitfähige Siliciumnitrid‑ (Si₃N₄-) Werkstoffe und Bauteile sind Schlüsselkomponenten in den Wachstumsbereichen Leistungselektronik und Halbleiterfertigung. In der Leistungselektronik stehen Si₃N₄‑Werkstoffe mit hoher Wärmeleitfähigkeit im Fokus, die in temperaturzyklenbeständigen Cu‑Si₃N₄‑AMB‑Substraten eingesetzt werden. In Kombination mit SiC‑Halbleitern bilden sie das Herzstück leistungselektronischer Komponenten zur Steuerung und Regelung hoher Ströme und Spannungen – etwa in batterieelektrischen Fahrzeugen, Batterie‑Energiespeichersystemen (BESS), Windkraftanlagen sowie zunehmend auch in der Photovoltaik. In der Halbleiterfertigung dient Si₃N₄‑Keramik als Haltestruktur für die Waferbearbeitung (Wafer Chucks). Hier bestehen besonders hohe Anforderungen hinsichtlich Wärmeleitfähigkeit, elektrischem Widerstand und Reinheit.
Das Ausgangsmaterial für Si₃N₄‑Keramik, Siliciumnitridpulver, wird überwiegend über einen Nitridierprozess aus Siliciumpulver gewonnen. Silicium selbst ist jedoch als kritischer und strategischer Rohstoff eingestuft. Die Produktion von metallurgischem Silicium (MG‑Si) und Polysilicium erfolgt zudem in einem äußerst energieintensiven Prozess mit erheblichem CO₂-Ausstoß (10,8 kg CO2-eq./kg MG-Si).
Eine nachhaltige Alternative zu MG‑Si bietet die Nutzung von Sekundärsilicium als zukünftigem Rohstoff. Dazu zählen Siliciumabfälle aus dem Sägen, Schleifen und Polieren hochreiner Kristalle sowie künftig große Mengen ausgedienter Photovoltaikmodule. Dieses hochwertige Recyclingsilicium wird bisher überwiegend in Downcyclingprozessen eingesetzt, besitzt jedoch ein enormes Potenzial für die Herstellung hochwärmeleitfähiger Si₃N₄‑Keramiken und kann wesentlich zu einer höheren Ressourceneffizienz und CO₂‑Reduktion im Herstellungsprozess beitragen.
Um Sekundärsilicium als Rohstoff für die Si₃N₄‑Keramikherstellung nutzbar zu machen, müssen sowohl eine ausreichende Reinheit als auch eine geeignete Partikelgrößenverteilung für den Nitridierungsprozess gewährleistet sein. Daher sind speziell angepasste Abtrenn- und Reinigungsroutinen zu entwickeln. Die anschließende Werkstoffentwicklung, mit dem Ziel einer Wärmeleitfähigkeit von über 110 W/(m·K), wird über zwei Ansätze verfolgt. Zum einen sollen aus dem entwickelten Si-Rezyklat über Direktnitridierung speziell konfektionierte α-β-Si3N4-Pulver entwickelt werden. Diese dienen anschließend zur Herstellung von Bulk‑Keramiken durch Pulveraufbereitung, Formgebung und Sintern. Zum anderen soll die Direktnitridierung des Si-Rezyklats zum gesinterten reaktionsgebundenen Siliciumnitrid (sintered reaction bonded silicon nitride – SRBSN) verfolgt werden. Bei dieser Technologie erfolgt die Nitridierung direkt am Formteil – ohne eine Si3N4-Pulverzwischenstufe. Die wissenschaftlich‑technische Herausforderung beider Ansätze liegt in der reproduzierbaren Kontrolle des Nitridierungsprozesses, um die angestrebten Pulver‑ und Werkstoffeigenschaften gezielt einzustellen.
Da beide Prozessrouten unterschiedliche Vorteile hinsichtlich Energieeffizienz, Skalierbarkeit, Werkstoffperformance und Umweltverträglichkeit aufweisen, werden sie im Projekt parallel untersucht und systematisch bewertet. So kann die technologisch und wirtschaftlich optimale Route zur Entwicklung maßgeschneiderter, hochwärmeleitfähiger Si₃N₄‑Werkstoffe auf Basis von Sekundärsilicium identifiziert werden.
Das Ziel des Forschungsprojekts SiR²SiN ist somit die Entwicklung einer hochreinen und hochwärmeleitfähigen Si₃N₄‑Keramik (> 110 W/(m·K)) aus Si‑Rezyklaten bei gleichzeitig mindestens 60 % CO₂‑Einsparung.
