Vertical stacking—based on modern manufacturing and integration technologies—of multiple 2D chips enables three-dimensional integrated circuits (3D ICs). This exploitation of the third dimension is generally accepted for aiming at higher packing densities, heterogeneous integration, shorter interconnects, reduced power consumption, increased data bandwidth, and realizing highly-parallel systems in one device. However, the commercial acceptance of 3D ICs is currently behind its expectations, mainly due to challenges regarding manufacturing and integration technologies as well as design automation. This work addresses three selected, practically relevant design challenges: (i) increasing the constrained reusability of proven, reliable 2D intellectual property blocks, (ii) planning different types of (comparatively large) through-silicon vias with focus on their impact on design quality, as well as (iii) structural planning of massively-parallel, 3D-IC-specific interconnect structures during 3D floorplanning. A key concept of this work is to account for interconnect structures and their properties during early design phases in order to support effective and high-quality 3D-IC-design flows. To tackle the above listed challenges, modular design-flow extensions and methodologies have been developed. Experimental investigations reveal the effectiveness and efficiency of the proposed techniques, and provide findings on 3D integration with particular focus on interconnect structures. We suggest consideration of these findings when formulating guidelines for successful 3D-IC design automation.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliography / Dreidimensional integrierte Schaltkreise (3D-ICs) beruhen auf neuartigen Herstellungs- und Integrationstechnologien, wobei vor allem “klassische” 2D-ICs vertikal zu einem neuartigen 3D-System gestapelt werden. Dieser Ansatz zur Erschließung der dritten Dimension im Schaltkreisentwurf ist nach Expertenmeinung dazu geeignet, höhere Integrationsdichten zu erreichen, heterogene Integration zu realisieren, kürzere Verdrahtungswege zu ermöglichen, Leistungsaufnahmen zu reduzieren, Datenübertragungsraten zu erhöhen, sowie hoch-parallele Systeme in einer Baugruppe umzusetzen. Aufgrund von technologischen und entwurfsmethodischen Schwierigkeiten bleibt jedoch bisher die kommerzielle Anwendung von 3D-ICs deutlich hinter den Erwartungen zurück. In dieser Arbeit werden drei ausgewählte, praktisch relevante Problemstellungen der Entwurfsautomatisierung von 3D-ICs bearbeitet: (i) die Verbesserung der (eingeschränkten) Wiederverwendbarkeit von zuverlässigen 2D-Intellectual-Property-Blöcken, (ii) die komplexe Planung von verschiedenartigen, verhältnismäßig großen Through-Silicion Vias unter Beachtung ihres Einflusses auf die Entwurfsqualität, und (iii) die strukturelle Einbindung von massiv-parallelen, 3D-IC-spezifischen Verbindungsstrukturen während der Floorplanning-Phase. Das Ziel dieser Arbeit besteht darin, Verbindungsstrukturen mit deren wesentlichen Eigenschaften bereits in den frühen Phasen des Entwurfsprozesses zu berücksichtigen. Dies begünstigt einen qualitativ hochwertigen Entwurf von 3D-ICs. Die in dieser Arbeit vorgestellten modularen Entwurfsprozess-Erweiterungen bzw. -Methodiken dienen zur effizienten Lösung der oben genannten Problemstellungen. Experimentelle Untersuchungen bestätigen die Wirksamkeit sowie die Effektivität der erarbeiten Methoden. Darüber hinaus liefern sie praktische Erkenntnisse bezüglich der Anwendung von 3D-ICs und der Planung deren Verbindungsstrukturen. Diese Erkenntnisse sind zur Ableitung von Richtlinien für den erfolgreichen Entwurf von 3D-ICs dienlich.:1 Introduction 1.1 The 3D Integration Approach for Electronic Circuits 1.2 Technologies for 3D Integrated Circuits 1.3 Design Approaches for 3D Integrated Circuits 2 State of the Art in Design Automation for 3D Integrated Circuits 2.1 Thermal Management 2.2 Partitioning and Floorplanning 2.3 Placement and Routing 2.4 Power and Clock Delivery 2.5 Design Challenges 3 Research Objectives 4 Planning Through-Silicon Via Islands for Block-Level Design Reuse 4.1 Problems for Design Reuse in 3D Integrated Circuits 4.2 Connecting Blocks Using Through-Silicon Via Islands 4.2.1 Problem Formulation and Methodology Overview 4.2.2 Net Clustering 4.2.3 Insertion of Through-Silicon Via Islands 4.2.4 Deadspace Insertion and Redistribution 4.3 Experimental Investigation 4.3.1 Wirelength Estimation 4.3.2 Configuration 4.3.3 Results and Discussion 4.4 Summary and Conclusions 5 Planning Through-Silicon Vias for Design Optimization 5.1 Deadspace Requirements for Optimized Planning of Through-Silicon Vias 5.2 Multiobjective Design Optimization of 3D Integrated Circuits 5.2.1 Methodology Overview and Configuration 5.2.2 Techniques for Deadspace Optimization 5.2.3 Design-Quality Analysis 5.2.4 Planning Different Types of Through-Silicon Vias 5.3 Experimental Investigation 5.3.1 Configuration 5.3.2 Results and Discussion 5.4 Summary and Conclusions 6 3D Floorplanning for Structural Planning of Massive Interconnects 6.1 Block Alignment for Interconnects Planning in 3D Integrated Circuits 6.2 Corner Block List Extended for Block Alignment 6.2.1 Alignment Encoding 6.2.2 Layout Generation: Block Placement and Alignment 6.3 3D Floorplanning Methodology 6.3.1 Optimization Criteria and Phases and Related Cost Models 6.3.2 Fast Thermal Analysis 6.3.3 Layout Operations 6.3.4 Adaptive Optimization Schedule 6.4 Experimental Investigation 6.4.1 Configuration 6.4.2 Results and Discussion 6.5 Summary and Conclusions 7 Research Summary, Conclusions, and Outlook Dissertation Theses Notation Glossary Bibliography

’African Bamboo PLC’ has the vision to become the first and the leading bamboo-based floorboard producer in Africa with export markets in Europe and America. African alpine bamboo (Yushania alpina), common in the highlands of Ethiopia, was used to develop woven strand board (WSB) products. Research on thermal modification was part of the product development. Samples were mainly collected in Tetechia (6°33‘ 34‘‘ N 38°32‘25‘‘ W, 2,650-2,700 m a.s.l.), located in the Sidama region. Three culms each of two, three, four and five years of age were harvested. Samples were taken from the middle of each internode to determine the moisture content and density. Samples used to assess the effects of thermal modification were cut next to them. Further test specimens from different areas and other species such as the lowland bamboo (Oxytenanthera abyssinica) were also investigated. The thermal treatment was applied in a kiln with steam as an inert blanket to reduce oxidative processes. Eight modifications were performed at temperatures of 160 °C, 180 °C, 200 °C and 220 °C, at durations of three or five hours each. Mass loss, sorption behaviour, impact resistance, resistance to indentation and contents of chemical components were analysed for the modified and unmodified samples. Yushania alpina is a thin-walled bamboo with a maximum diameter of 6 cm, moisture content of up to 150 % and densities of between 0.5 g/cm² and 0.8 g/cm². Moisture content, diameter and wall thickness decreased from the bottom to the top of the culms, whereas density increased. Two year old bamboo had the lowest and three year the highest density. The mass loss followed an exponential trend, with about 2 % loss at 160 °C and 16 % at 220 °C. This mainly reflected the degradation of hemicellulose, which was fully removed at 220 °C. Extractive contents, at less than 5 %, fluctuated. Lignin amounted to 30 % and increased appreciably. Cellulose reached contents of about 45 % and decreased slightly at high temperatures. The chemical change, which was based more on the temperature than on the duration of treatment, influenced the sorption behaviour and mechanical properties most of all. The equilibrium moisture content was reduced by between 10 % to 40 %, depending on the climate and modification temperature chosen. This reduction stabilised between temperatures of 200 °C and 220 °C. The impact resistance of untreated bamboo was 3.8 J/cm², compared to only 1.4 J/cm² for modified samples. Resistance also differed between samples from the outer and inner part of the culm in the transverse section. The resistance to indentation declined also. Unmodified samples had 47 N/mm², compared to only 20 N/mm² for strongly modified samples. The results of the analysis and the experience gained indicate that temperatures between 180 °C and 200 °C, held for three hours, lead to the best results for woven strand board production using Ethiopian highland bamboo. / ’African Bamboo PLC’ setzt sich zum Ziel, als erstes Unternehmen Holzwerkstoffe aus Bambus nach Europa und Amerika zu exportieren. Afrikanischer Hochgebirgsbambus (Yushania alpina), welcher vor allem im Hochland von Äthiopien vorkommt, wurde dazu verwendet ”woven strand boards” (WSB) zu entwickeln. Untersuchungen zur thermischen Modifizierung waren dabei Bestandteil der Produktentwicklung. Die dafür notwendigen Bambusproben wurden hauptsächlich in Tetechia (6°33‘34‘‘ N 38°32‘25‘‘ W, 2650-2700 m ü. NN), einem Dorf in Sidama, entnommen. Es wurden dazu je drei Bambushalme der Altersklassen zwei, drei, vier und fünf Jahre geerntet. Proben für die Bestimmung von Holzfeuchte und Dichte wurden in der Mitte jedes Internodiums entnommen. Diese spielten als Referenzprobe eine große Rolle. Neben den Referenzprobekörpern wurden die jeweiligen Stücke für die thermische Behandlung heraus gesägt, wobei dies nach einer bestimmten Systematik erfolgte. Neben den Proben aus Tetechia wurden für die Untersuchungen zudem Proben aus anderen Gebieten und von einer anderen Art, dem Tieflandbambus (Oxytenanthera abyssinica), hinzugefügt. Die thermische Modifizierung erfolgte unter Wasserdampf, welcher oxidative Prozesse verhinderte. Insgesamt erfolgten acht Modifizierungen bei Temperaturen von 160 °C, 180 °C, 200 °C und 220 °C und einer jeweiligen Haltezeit von drei oder fünf Stunden. In Anbetracht der unbehandelten und behandelten Proben wurden der Masseverlust, die Bruchschlagarbeit, der Eindruckswiderstand und die chemische Zusammensetzung analysiert. Yushania alpina ist ein dünnwandiger Bambus mit Durchmessern bis zu 6 cm, Holzfeuchten bis 150 % und Dichten zwischen 0,5 g/cm² und 0,8 g/cm². Holzfeuchte, Durchmesser und Wandstärke verringerten sich mit der Halmhöhe, wobei die Dichte hingegen anstieg. Zweijähriger Bambus hatte die geringsten und dreijähriger Bambus die höchsten Dichten. Der Masseverlust folgte einem expontiellem Verlauf mit Werten von 2 % bei 160 °C und 16 % bei 220 °C. Er widerspiegelte den Abbau der Hemicellulose, welche bei 220 °C schon nicht mehr vorhanden war. Exktraktgehalte fluktuierten mit Werten unter 5 %. Der Ligningehalt lag bei ungefähr 30 % und stieg merklich an. Der Cellulosegehalt erreichte Werte von etwa 45 %, wobei die Cellulose bei höheren Temperaturen leicht abgebaut wurde. Die chemischen Veränderungen, welche maßgeblich von der angewandten Temperatur statt der Behandlungsdauer beeinflusst wurden, wirkten sich auf das Sorptionsverhalten und mechanische Eigenschaften aus. Je nach ausgesetztem Klima und erfolgter Modifikation wurde die Ausgleichsfeuchte der Proben um 10 % bis 40 % reduziert. Die Abnahme der Ausgleichsfeuchte stabilisierte sich im Temperaturbereich von 200 °C bis 220 °C. Die Bruchschlagarbeit des unbehandelten Bambus betrug 3,8 J/cm², die des behandelten nur 1,4 J/cm². Die Bruchschlagarbeit variierte unabhängig von der Modifikation zwischen dem inneren und äußeren Abschnittes innerhalb des Halmquerschnitts. Der Eindruckswiderstand nahm mit der thermischen Behandlung ebenfalls ab. Unbehandelte Proben hatten 47 N/mm², während die modifizierten Proben nur noch 20 N/mm² aufwiesen. Anhand der Ergebnisse und erworbenen Erfahrungen lies sich schlussfolgern, dass Temperaturen zwischen 180 °C und 200 °C bei einer Haltezeit von drei Stunden für die thermische Modifizierung von Äthiopischem Hochlandbambus in Bezug auf die Entwicklung von ”woven strand boards” empfehlenswert waren.

Questions that were answered in the dissertation: Which process is suitable to desulphurize biogas knowing that chemical absorption will be used to separate CO2? Which absorption solvent is suitable to separate CO2 from concentrated gases such as biogas at atmospheric pressure? What properties of the selected solvent, namely aqueous diglycolamine (DGA), are already known? How to determine solvent properties such as equilibrium CO2 solubility under absorption and desorption conditions using simple, but robust apparatuses? What values do solvent properties such as density, viscosity and surface tension take at various DGA contents and CO2 loadings? How do primary alkanolamine content and CO2 loading influence solvent properties? What is the optimal DGA content in the solvent? What is the optimal desorption temperature at atmospheric pressure? How can equilibrium CO2 solubility in aqueous DGA solvents be simulated? What is the uncertainty in the results? How to debottleneck an absorber and increase its gas-treating capacity? How to determine the optimal lean loading of the absorption solvent? What are the characteristics of the absorption process that uses aqueous DGA as the solvent to separate CO2 from biogas and is more energy efficient and safer than the state-of-the-art processes? How to quantitatively compare the hazards of absorption solvents? What is the disposition of the German population towards hazards from biogas plants? What are the favourable and adverse environmental impacts of biomethane? / Fragen, die in der Dissertation beantwortet wurden: Welches Verfahren ist zur Entschwefelung von Biogas geeignet, wenn die chemische Absorption zur CO2-Abtrennung genutzt wird? Welches Absorptionsmittel ist geeignet, um CO2 aus konzentrierten Gasen, wie Biogas, bei atmosphärischem Druck abzutrennen? Welche Eigenschaften des ausgewählten Absorptionsmittels, wässriges Diglykolamin (DGA), sind bereits bekannt? Wie wird die CO2-Gleichgewichtsbeladung unter Absorptions- und Desorptionsbedingungen mit einfachen und robusten Laborapparaten bestimmt? Welche Werte nehmen die Absorptionsmitteleigenschaften wie Dichte, Viskosität und Oberflächenspannung bei verschiedenen DGA-Gehalten und CO2-Beladungen? Wie werden die Absorptionsmitteleigenschaften durch den Primäramin-Gehalt und die CO2-Beladung beeinflusst? Was ist der optimale DGA-Gehalt im Absorptionsmittel? Was ist die optimale Desorptionstemperatur bei atmosphärischem Druck? Wie wird die CO2-Gleichgewichtsbeladung im wässrigen DGA simuliert? Welche Ungenauigkeit ist zu erwarten? Wie wird eine Absorptionskolonne umgerüstet, um die Kapazität zu erweitern? Wie wird die optimale CO2-Beladung des Absorptionsmittels am Absorbereintritt (im unbeladenen Absorptionsmittel) bestimmt? Was sind die Prozesseigenschaften eines Absorptionsverfahrens, das wässriges DGA als Absorptionsmittel nutzt sowie energieeffizienter und sicherer als Verfahren auf dem Stand der Technik ist? Wie kann das Gefahrenpotenzial von Absorptionsmittel quantitativ verglichen werden? Wie werden Gefahren aus einer Biogasanlage durch die deutsche Bevölkerung wahrgenommen? Welche positive und negative Umweltauswirkung hat Biomethan?

Temperature-responsive hydrogels are polymer particles whose equilibrium size depends on the temperature of the water they are immersed in. Here we present an equivalent circuit model of a temperature-controlled microvalve based on hydrogel particles. The resulting network model consists of three physical subsystems. The thermal subsystem considers the heat capacities and thermal resistances of the layers of the valve and the coupling to the ambient environment. The polymeric subsystem describes the relaxation of the hydrogel particles to the temperature-dependent equilibrium size. The fluidic subsystem consists of the supply channel and a chamber whose cross section varies according to the size of the hydrogel particles. All subsystems are described and coupled within one single circuit. Thus the transient behavior of the valve can be calculated using a circuit simulator. Simulation results for a setup are presented and compared with experiments.

Die thermoelektrische Energiekonversion auf der Basis des Seebeck-Effekts ist eine Methode zur direkten Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie. Für die wesentlichen anwendungsrelevanten Parameter Temperaturbereich, elektrische Leistung und Herstellungskosten sind Materialauswahl und Aufbau der TEG entscheidend. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig thermoelektrische Oxidkeramiken in monolithischen TEG verwendet, die auf der Grundlage des transversalen thermoelektrischen Effekts arbeiten. Die TEG wurden mit industriell skalierbaren Keramiktechnologien hergestellt, untersucht und hinsichtlich ihrer Parameter detailliert theoretisch und experimentell bewertet. Als Modellsystem für die Materialien wurde La1-xSrxCuO4 in Kombination mit Ag bzw. Ag6Pd1 verwendet. Es konnte belegt werden, dass diese monolithischen TEG im Bereich kleiner elektrischer Leistungen eine vorteilhafte Alternative zu herkömmlichen longitudinalen thermoelektrischen Generatoren sein können.

Seit 1996 wird von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach die Buchreihe „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ herausgegeben, in der herausragende wissenschaftliche Beiträge der Technischen Universität Dresden, insbesondere auch des Institutes für Festkörperelektronik, publiziert werden. Zu den bisher vorliegenden Bänden sind seitdem weitere Bände hinzugekommen. Das Profil des Institutes wird durch folgende Forschungsgebiete geprägt: Thermische Infrarotsensoren, Piezoresistive Sensoren auf der Basis quellfähiger Hydrogele, Ultraschalltechnik, Funktionelle Dünnschichten, Nanoptische Sensoren. Mit der Berufung von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach auf den Lehrstuhl für Festkörperelektronik zum 01.01.1996 wurde das Spektrum der Forschungsarbeiten insbesondere um die Fachgebiete der Siliziumsensoren für unterschiedliche Meßgrößen und des Entwurfs komplexer Sensor- und Aktor-Systeme in der Mikrosystemtechnik erweitert. Das Zusammenwirken von Physik, Elektronik und Technologie der Mikroelektronik bei Forschung, Entwicklung und Fertigung sowie Applikation leistungsfähiger Sensoren ist Gegenstand von Lehre und Forschung des IFE. / Since 1996 the book series „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ edited by Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach has been published. The aim of this series is the publication of outstanding scientific contributions of TU Dresden, especially of those compiled at the Institute for Solid-State Electronics. The Solid-State Electronics Laboratory (Institut für Festkörperelektronik - IFE) is one of 12 laboratories of the Electrical and Computer Engineering Department at Technische Universität Dresden. Together with the Semiconductor Technology and Microsystems Lab and several chairs of the Circuits and Systems and the Packaging Labs, the Solid-State Electronics Laboratory is responsible for the microelectronics specialization in the Electrical Engineering program. Research and teaching field of the Institute for Solid-State Electronics are dedicated to the interaction of physics, electronics and (microelectronics) technology in: materials research, technology, and solid state sensor operational principles, application of sensors for special measurement problems, design of sensors and sensor systems including the simulation of components as well as of complex systems, development of thin films and multilayer stacks for sensor applications, application of ultrasound for nondestructive evaluation, medical diagnostics and process measurement technology.

The Silicon Carbide Bipolar Transistor is a device that is barely brought into real application so far. It features very low conduction losses and a high power density. The application is in some points different and unusual in comparison to the mainstream power semiconductors as IGBTs or MOSFETs. The Silicon Carbide Bipolar Transistor, the SiC-BJT, is a current driven device and the effort in driving is uncommonly high. As an outcome of the present work it can be said that it is more like a shift of requirements from the power semiconductor power unit to the driver stage. With consideration of all system losses, including driving losses, the final unoptimized COSIVU prototype inverter system gained an increase of efficiency of 40-60% in comparison to the IGBT-based reference system dependent on the applied load points. In terms of reliability and possible failure modes, the SiC-BJT behaves differently from the mainstream devices. One result of the project is that the chips itself are quite robust but the packaging needs some improvements. Thermal impedance spectroscopy is a method for detecting possible deterioration in the cooling path of a device. A method for temperature estimation of the SiC-BJT during on-state will be presented in this work. The electronic hardware for thermal impedance spectroscopy has been developed to do the measurements in a non-laboratory setup in the inverter in real application. Furthermore, the hardware implementation was realized on a very small space for integration into an in-wheel motor inverter system. / Der Siliciumkarbid Bipolartransistor ist ein leistungselektronisches Bauelement, was bis heute kaum über Labor- und Forschungsprojekte hinaus anwendungsnah zum Einsatz kam. Er verfügt über sehr geringe Durchlassverluste und eine hohe Leistungsdichte. Seine Verwendung und Anwendung ist in mancher Hinsicht anders und unüblich im Vergleich zu den etablierten leistungselektronischen Bauelementen wie IGBT und MOSFET. Der Siliciumkarbid Bipolartransistor, also der SiC-BJT, ist ein stromgesteuertes Bauteil, weswegen der Aufwand für die Treiber sehr hoch ist. Die praktische Arbeit im Rahmen des Forschungsprojektes „COSIVU“ mit den SiC-BJTs in Verbindung mit dem fertigen integrierten Invertersystem hat unter anderem gezeigt, dass es mehr eine Verschiebung der Anforderungen von der Leistungselektronik hin zu den Treibern für die Leistungselektronik ist. Unter Betrachtung der Verluste des gesamten Systems, einschließlich der Motor-, Treiber- und Steuerverluste, hat das fertige Prototyp-Invertersystem, welches durchaus noch Potential zur Optimierung besaß, eine deutliche Verbesserung des Wirkungsgrades erreicht. Gegenüber dem auf IGBT basierenden Referenz-Invertersystem, hat das COSIVU Invertersystem eine Verbesserung des Wirkungsgrades um 40-60 % erreicht. Eine Erkenntnis aus dem Forschungsprojekt in Bezug auf Zuverlässigkeit und mögliche Fehler und Defekte ist, dass der Chip selbst zwar ziemlich robust ist, aber dass die Gehäuse-, Aufbau- und Verbindungstechnik angepasst und verbessert werden sollte. Thermische Impedanzspektroskopie ist eine Methode um Verschlechterungen im Kühlpfad eines leistungselektronischen Halbleiters zu erkennen, was ein Kriterium für die Alterung des Bauteils ist. Eine Methode zur Bestimmung der Sperrschichttemperatur von SiC-BJTs während des normalen Durchlassbetriebes wird in dieser Arbeit vorgestellt. Die Platine für die thermische Impedanzspektroskopie wurde entwickelt, um die Messung in einem laborfernen Aufbau in einer echten Inverteranwendung durchzuführen. Zudem wurden die Platinenaufbauten auf sehr kleiner Fläche realisiert. Die Integration musste nämlich sehr kompakt gestaltet werden, da es sich um ein „in-wheel“ Motor-Inverter-System handelt, was zum größten Teil innerhalb eines Fahrzeugrades untergebracht ist.

Induction Assisted Single Point Incremental Forming (IASPIF) is a die-less hot sheet metal forming. The IASPIF does not apply characteristic complex tooling like those applied in deep drawing and bending. In this thesis, induction heating was used to heat up the sheet while simultaneously forming with a tool. The research goal is to improve the formability of high strength steels by heating. The IASPIF consists of non-complicated set up that allows induction heating to be utilized through the coil inductor moved under the sheet and synchronized with the forming tool that moves on the upper side of the sheet. The advanced high strength steel alloys, DP980, DP600 and 22MnB5 steels, were investigated. The influence of induction heating on formability was evaluated by the maximum wall angle that can be achieved in a single pass. Additionally, tool diameter and tool feed rate was also varied. The most influencing parameters were tool feed rate, induction power, and the profile depth. A new forming strategy was also developed by control the heating temperature through coupling the formed profile depth with a successively increased tool feed rate. The forming forces of DP980 steel sheet, were reduced from 7 kN to 2.5 kN when forming process was performed at room and elevated temperature, respectively. Stretching stresses were developed during forming process causing a high reduction in the resulting wall part thickness. New findings in this investigation were the reverse relationship between the step-down depth and the thickness reduction percentage. The smaller the tool diameter, the better was the formability. The finite element simulation of the investigated forming process showed that the increase in heating temperature has a direct effect on rising the plastic strain from 0.2 at room temperature to 1.02 at 800 ◦ C. The maximum true strain achieved in the resulting wall part thickness was determined by FEM simulations and validated with experimental trials. The part shape accuracy was measured and the highest deflection was founded when the part was formed by the highest step-down depth. Moreover, the minimum deflection in the part shape was achieved by utilizing a high induction power in the experiments. Finally, the resulting mechanical properties of the 22MnB5 alloy sheet material were tailored during IASPIF. For this purpose, the sheets were locally heated by induction during the forming process and subsequently quenched at different rates. As a result, the produced tailored parts consist of three different regions, which consist of a ductile, transitional and hardened region. The proposed procedure allows forming and quenching at the same time without transfer and thus, process time was reduced. / Die induktionsgestützte, inkrementelle Blechumformung (englisch: Induction Assisted Single-Point Incremental Forming IASPIF) ist Warmumformprozess, bei dem keine komplexen Werkzeuge wie beim Tiefziehen und Biegen benötigt werden. Inhalt dieser Arbeit ist die inkrementelle Umformung eines Bleches mit gleichzeitig ablaufender induktiver Erwärmung. Das Forschungsziel bestand in der Verbesserung der Umformbarkeit von hochfesten Stahlwerkstoffen wie DP600, DP980 und 22MnB5 durch eine gezielte partielle Erwärmung. Der prinzipielle Aufbau des Versuchsstandes besteht aus einem Spuleninduktor, der unterhalb des umzuformenden Blechs platziert ist, und der synchron mit dem Werkzeug – einem Drückdorn – während des Umformvorganges verfährt. Ein wesentlicher Untersuchungsschwerpunkt bestand in der Ermittlung der Einflussgrößen auf den untersuchten IASPIF-Prozess. Für die Bewertung der Umformbarkeit wurden hierbei der maximal erreichbare Teilwandwinkel und die Profiltiefe, die in einem Umformdurchgang herstellbar waren, ermittelt und ausgewertet. Darüber hinaus konnten im Rahmen der Arbeit die Induktionsleistung des Generators, der Werkzeugdurchmesser und die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit als relevante Prozessparameter identifiziert werden. Im Ergebnis der durchgeführten Untersuchungen zeigten die Werkzeugvorschubgeschwindigkeit und die Induktionsleistung einen wesentlichen Einfluss auf die erreichbare Profiltiefe. Aufbauend auf den erzielten Ergebnissen konnte eine prozessangepasste Umformstrategie entwickelt werden, bei der eine konstante Erwärmungstemperatur durch das Koppeln der momentanen Profiltiefe mit einer sukzessiv steigenden Werkzeugvorschubgeschwindigkeit erreicht wird. Weiterhin ließen sich die Kräfte bei der Umformung eines Stahlbleches aus DP980 von 7 kN (bei Raumtemperatur) auf 2,5 kN (bei erhöhter Temperatur) reduzieren. Aufgrund des mit einem Streckziehvorgang vergleichbaren Spannungszustandes während des Umformprozesses war eine starke Verringerung der resultierenden Wanddicke zu beobachten. Als neue Erkenntnis in dieser Untersuchung konnte die umgekehrte Beziehung zwischen der Zustelltiefe und dem Dickenreduktionsprozentsatz abgleitet werden. Aus der Finite - Elemente - Simulation des vorgestellten Umformprozesses wurde erkennbar, dass die Erhöhung der Erwärmungstemperatur einen direkten Einfluss auf die plastische Dehnung von 0,2 (bei Raumtemperatur) auf 1,02 (bei 800 °C) hat. Mittels der numerischen Simulation und der nachfolgenden experimentellen Validierung erfolgte darüber hinaus die Bestimmung der maximalen wahren Dehnung, die in der resultierenden Wanddicke erreicht wurde. Bei den Versuchen mit der größten Zustellung ließ sich durch die Bestimmung der Teileformgenauigkeit die höchste Abweichung von der Sollgeometrie CAD Modell feststellen. Abschließend wurde nachgewiesen, dass der IASPIF Prozess auch zur Einstellung maßgeschneiderter Bauteileigenschaften wie der resultierenden mechanischen Eigenschaften des Blechmaterials aus 22MnB5 einsetzbar ist. Zu diesem Zweck wurden die Bleche während des Umformprozesses lokal induktiv erwärmt und anschließend zur Einstellung des gewünschten Gefüges bei unterschiedlichen Abkühlgeschwindigkeiten abgeschreckt.

Aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit und des größeren Widerstandes gegen Elektromigration im Vergleich zum Aluminium wird seit einigen Jahren Kupfer als Leitbahnmaterial in der Mikroelektronik eingesetzt. Da Kupfer jedoch eine hohe Beweglichkeit in den für die Halbleitertechnologie relevanten Werkstoffen aufweist, sind zur Verhinderung einer Diffusion effektive Barrieren notwendig. Dabei muss die u. a. geforderte hohe thermische Stabilität der Barrierematerialien auch im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung der mikroelektronischen Bauelemente und damit der Reduzierung der Barriereschichtdicken sichergestellt sein. Im Rahmen der Arbeit wurden mittels Magnetron-Sputtern neben Ta- und TaN-Einfachschichten sowie Ta-TaN-Mehrfachschichten auch Ta-Si-N-Einfachschichten jeweils mit und ohne Cu-Metallisierung sowohl auf blanke als auch auf thermisch oxidierte Si-Scheiben abgeschieden. Die Dicken der Barriereeinzelschichten und die der Cu-Schichten betrugen 10 nm bzw. 50 nm. Die Beurteilung der Barrierestabilität sowie die Charakterisierung der Ausfallmechanismen erfolgten nach Wärmebehandlungen durch den kombinierten Einsatz von Röntgenstreumethoden, spektroskopischen sowie mikroskopischen Analyseverfahren. In Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und damit von der Mikrostruktur im Ausgangszustand finden für die zwischen Kupfer und SiO2 abgeschiedenen Diffusionsbarrieren unterschiedliche Prozesse während thermischer Belastungen statt. Bei den mehrstufigen Ta-TaN-Barrieren setzt bereits bei T = 300 °C eine Umverteilung von Stickstoff ein, die bei T = 500 °C in der Bildung von Ta2N-Kristalliten resultiert. Im Fall der Ta-Si-N-Barrieren führt die vorhandene Cu-Metallisierung zu einer an der Cu/Barriere-Grenzfläche beginnenden Kristallisation. Dabei hängen sowohl deren Einsatzzeitpunkt während einer bei konstanter Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung als auch das entstehende Kristallisationsprodukt von der Barrierezusammensetzung ab. Im Zuge der Kristallisation erfolgt die vollständige Zerstörung der ursprünglichen Schichtintegrität, so dass Kupfer in unmittelbaren Kontakt zum SiO2-Substrat gelangt. Der sensitive Nachweis einer Cu-Diffusion durch die Barriere erfolgte einerseits durch die Charakterisierung von Cu/Barriere/SiO2/Si-Systemen mit Hilfe spurenanalytischer Methoden und andererseits durch die Untersuchung von Proben mit geändertem Aufbau. Durch Abscheidung der Barrieren zwischen Kupfer und Silizium ist mittels Röntgenbeugung die nach Diffusion von Cu-Atomen ins Substrat einsetzende Bildung von Cu3Si detektierbar. Mit den kritischen Temperaturen für die Bildung dieses Kupfersilizids erfolgte die vergleichende Bewertung der thermischen Stabilitäten der Barrieren. Werden die dünnen Ta-basierten Schichten zusätzlich bezüglich ihres spezifischen elektrischen Widerstandes beurteilt, so stellt sich eine Ta56Si19N25-Diffusionsbarriere als am geeignetsten für den Einsatz in Cu-Metallisierungssystemen heraus. Die mikrostrukturellen Untersuchungen gestatten Aussagen zu den Versagensmechanismen der einzelnen Barrieren. Für die Ta-TaN-Mehrfachschichten wird durch die einsetzende Stickstoffumverteilung und die sich anschließende Ta2N-Bildung bereits frühzeitig die stabile Mikrostruktur der TaN-Schicht zerstört. Während für Ta-Si-N-Schichten mit einem N-Gehalt von bis zu 25 at.% eine Cu-Diffusion ins Substrat erst nach vorzeitiger Barrierekristallisation beobachtet wird, erfolgt sie im Fall der stickstoffreichen Ta-Si-N-Barrieren in einem Zustand, für den mittels Röntgenbeugung eine Kristallisation noch nicht nachweisbar ist. Die Untersuchung der Abhängigkeit der sich während des Cu-Schichtwachstums bzw. einer nachträglichen Wärmebehandlung ausbildenden Cu-Texturkomponenten von der chemischen Zusammensetzung der Unterlage erfolgte mittels röntgenographischer Texturanalyse. Zur Diskussion der beobachteten Vorzugsorientierungen wurde das Modell des zweidimensionalen Kornwachstums in dünnen Schichten herangezogen.

Verbindungen mit Spinellstruktur im quasiternären System "LiO0.5-MnOx-FeOx" finden industriell als keramische Werkstoffe in der Elektrotechnik und Elektronik Verwendung. So werden Lithium-Mangan-Spinelloxide der Form Li1+xMn2-xO4 (x => 0) als Kathodenmaterial für wiederaufladbare Lithiumbatterien untersucht. Sowohl Lithium- als auch Manganferrit finden Einsatz als steuerbare Komponenten in der Mikrowellentechnik und Manganferrite als Leistungsüberträger in Spulen und Transformatoren der Hochfrequenztechnik. Für einen solchen technischen Einsatz sind die Kenntnisse der Bedingungen für die Synthese phasenreiner Spinelle und deren Struktur unerlässlich. Die Darstellung der Spinelle erfolgte im Rahmen dieser Arbeit aus gefriergetrockneten Lithium-Mangan-Eisenformiaten. Diese Precursoren zeichnen sich durch hohe Reaktivität und exakte Metallionenstöchiometrie aus. Der Zersetzungsablauf von gefriergetrockneten Li-Mn(II)-Fe(III)-Formiaten unter Argon wurde mittels thermischer Analyse, gekoppelt mit der Massenspektroskopie, sowie durch Röntgenpulveraufnahmen der Zwischenprodukte untersucht. Aus den vorzersetzten Precursoren gewünschter Zusammensetzung wurden unter kontrollierten Temperatur- und Sauerstoffpartialdruckbedingungen einphasige Spinelloxide dargestellt. Die so erhaltenen Verbindungen mit Spinellstruktur wurden mittels Röntgenbeugung und Strukturverfeinerung sowie XANES- und Mößbauerspektroskopie und magnetischen Messungen untersucht. Aus der Kombination dieser Methoden konnten Schlussfolgerungen bezüglich der Struktur, Kationenverteilung und Eigenschaften der jeweiligen Spinelle gewonnen werden. Im Mittelpunkt der Arbeit steht die in der Literatur nicht beschriebene Mischkristallreihe LixMn1+xFe2?2xO4, die Mn(II) und Mn(III) oder Mn(III) und Mn(IV) für x < 0.5 oder x > 0.5 enthält. Mit zunehmendem x-Wert vergrößert sich der Anteil von Lithiumionen auf Tetraeder-plätzen. Bei einem Wert x = 4/7 erreicht dieser Anteil 100%. Unter Einbeziehung der Ergebnisse der Mößbaueruntersuchungen ergeben sich für die Spinellverbindungen mit x = 2/7, 3/7 und 4/7 die folgenden Kationenverteilungen: (Li1.04Mn2+2.81-[delta]Fe3+3.15Mn3+[delta])A[Li0.96Fe3+6.85Mn3+6-[delta]Mn2+0.19+[delta]]BO28 (Li2.37Mn2+1.0-*Fe3+2.98Mn3+0.65+*)A[Li0.63Fe3+5.02Mn3+8.35-*Mn2+*]BO28 (Li4.0Fe3+2.37Mn3+0.63)A[Fe3+3.63Mn3+9.37Mn4+1.0]BO28. Eine theoretisch vorhersehbare Zunahme der Sättigungsmagnetisierung bei kleinen x-Werten wird durch Abnahme der kooperativen Kopplungseffekte mit Abnahme des Eisengehaltes nicht beobachtet. Zusammenfassend kann festgehalten werden, dass die Darstellung phasenreiner Spinelloxide aus den vorzersetzten gefriergetrockneten Li-Mn-Fe-Formiaten im gesamten Bereich zwischen den bekannten quasibinären Spinellverbindungen MnFe2O4, Li0.5Fe2.5O4, LiMn2O4 und Li4/3Mn5/3O4 im quaternären System Li-Mn-Fe-O unter jeweils definierten pO2/T-Bedingungen möglich ist. Die Synthesetemperaturen sind teilweise um 100°C bis 200°C niedriger als bei vergleichbaren Proben aus den Festkörpereaktionen. Manganreiche Spinelle außerhalb dieses Bereiches konnten nicht synthetisiert werden.