Die Erzeugung, Verteilung und Nutzung von elektrischer Energie befindet sich in einem grundlegenden Wandel. Die Notwendigkeit, das Klima zu schützen und mit begrenzten Ressourcen verantwortungsvoll und effizient umzugehen, erfordert neue Lösungen. Gesichtspunkte der Materialeffizienz sowie der Abhängigkeit von strategischen Metallen haben bei der Auswahl der heute üblichen Materialsysteme für die Aufbau- und Verbindungstechnik von Leistungshalbleitermodulen lange Zeit keine Rolle gespielt, da der Fokus auf Funktionalität und Zuverlässigkeit gelegt wurde. Die genutzten Verbindungssysteme weisen eine hohe Komplexität auf, das notwendige Spezialwissen entlang der Wertschöpfungskette ist über verschiedene Firmen verteilt. Die Suche nach Lösungen zur Substitution von Werkstoffen und zur Materialeffizienz erforderte daher eine enge und vertrauensvolle Zusammenarbeit zwischen Industrie und Forschung.Das Ziel des vom Bundesministerium für Bildung und Forschung geförderten Verbundprojekts ReffiMaL ist die Erforschung ressourcen-effizienter Materiallösungen für die Leistungselektronik. In einem kompakten Konsortium aus einem mittelständischen und zwei großen Unternehmen mit voller Abdeckung der Wertschöpfungskette sowie einer Forschungseinrichtung der Hochschule Düsseldorf (Labor für Mikroelektronik am Fachbereich Elektro- und Informationstechnik) werden innovative Materialsysteme zur Fügetechnik untersucht.Die Ziele des Vorhabens waren unter anderem die Substitution einer kompletten Beschichtung durch eine selektive Beschichtung der Bodenplatte mit dem Ziel, ca. 70 % des Materials einzusparen, die Erforschung von Verbindungsmaterialien zur Schichtdickenreduktion, um die Materialeffizienz um ca. 25 % zu erhöhen, besonders kritische Rohstoffe wie z. B. Antimon zu vermeiden sowie eine Life-Cycle-Analyse aller beteiligten Prozessschritte inklusive der Verringerung von Umweltbelastungen bei den Einzelprozessen.Dafür wurde anhand von konkreten Beispielen untersucht, wie durch ein Neudesign bestehender Produkte die gesamte Produktionskette auf allen Ebenen möglichst positiv beeinflusst werden kann. Durch den Wechsel von galvanischen Prozessen hin zur maskierten physikalischen Gasphasenabscheidung konnte der Nickelverbrauch allein in Bezug auf die Bodenplatten um mehr als 70% reduziert werden. Darüber hinaus vermeidet diese Prozesstechnik verschiedene umweltbelastende Nebenprodukte.Die Forschungsarbeiten an der Hochschule Düsseldorf befassten sich mit dem Einfluss der bisherigen und der neuen Materialsysteme und Fertigungsverfahren auf die Umwelt im Rahmen einer Ökobilanz. Durch die Berechnung des Einflusses jedes Prozessschrittes inklusive seiner Vorkette auf bestimmte Umwelt-Wirkkategorien kann der Umwelteinfluss, erstmals für leistungselektronische Systeme, quantitativ erfasst werden. Ein Vergleich verschiedener Prozesse und Materialsysteme hinsichtlich ihrer Verträglichkeit mit dem Umwelt- und Klimaschutz wird dadurch möglich.
