Kühlkonzepte Die Vorteile keramischer Werkstoffe zum Kühlen von Hochleistungselektronik

Geschätzt ereilt 80% der Leistungselektronik ein früher Tod durch Überwärme. Direkt metallisierte und bestückte Keramik bietet erhebliches Optimierungspotential des Thermomanagements. Mit dem Extrudieren der besonders wärmeleitfähigen Aluminiumnitrid-Keramik ist zudem etwas bislang einzigartiges gelungen. Die Applikationen für AlN-Keramik sind vielfältig und reichen vom passiven Bauteil und Baugruppenträger bis hin zur Flüssigkühlung.

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CeramTec GmbH

Keramische Werkstoffe werden häufig unterschätzt. Doch Keramik, wie z.B. Rubalit (Al2O3) oder Alunit (AlN), vereint zwei entscheidende Eigenschaften: Elektrische Isolation und Wärmeleitfähigkeit. Sie ist formfest, ROHS-konform und korrosionsbeständig u.a. gegen Salz, Säure und Lauge. Völlig inert ist sie die letzte Komponente eines Systems, die aufgibt. In Kombination mit einer direkten Metallisierung der Keramik wird es noch interessanter. Sie kann durch Metallisierungspads Bondflächen anbieten und erlaubt das Bedrucken mit individuellen Leiterbahnenlayouts an allen Seiten. Die skizzierte Kombination von Platine und keramischem Kühlkörper zur sicheren Entwärmung thermisch sensibler Komponenten und Schaltungen ist eine Entwicklung der CeramTec GmbH namens CeramCool.

Das keramische System leitet Wärme ohne thermische Barrieren effizient ab und entlastet Komponenten messbar. Die vereinfachte Bauweise (keine Kleber, Isolationsschichten etc.) in Kombination mit einer direkten und dauerhaften Verbindung von elektronischer Komponente und CeramCool, beispielsweise über Lotverbindung, schafft optimierte Betriebsbedingungen für den gesamten Aufbau. Metallisierungen aus Wolfram, Wolfram-Nickel, Wolfram-Nickel-Gold, Gold, Silber, Silber-Palladium, Silber-Platin und DCB stehen zur Wahl. DCB empfiehlt sich für Anwendungen der Hochleistungselektronik und hohe Stromstärken.

Fassettenreiche Vorteile für die effiziente Kühlung

DCB steht für Direct Copper Bonded, also das direkte Verbinden (Bonden) von Kupferfolien mit einem keramischen Isolator und Träger, meist aus Rubalit oder Alunit. Die keramischen Leiterplatten sind eine hochwirksame Kombination aus Wärme- und Kühlmanagement bei gleichzeitig leistungsfähigem Strommanagement. Als effiziente Form des Energiemanagements halten sie Einzug in Zukunftsmärkte im High-Tech-Bereich. DCB-Substrate bieten hohe Wärmeableitfähigkeit und Temperaturbeständigkeit, gute Wärmespreizung, hohe Isolationsspannung und angepasste Ausdehnungskoeffizienten, die Chip-on-Board-Technologie ermöglichen. Die Wärmeleitfähigkeit von Al2O3-DCB-Substraten wird primär über die jeweilige Wärmeleitfähigkeit und Dicke der verwendeten Keramik bestimmt. Auf Rubalitkeramik basierende DCB-Substrate bieten ein gutes Preis-/Leistungsverhältnis und werden meist im unteren und mittleren Leistungsbereich eingesetzt. Hier reden wir von allgemeiner Leistungselektronik, Peltier-Elementen, Automobilanwendungen mit Leistungshalbleitermodulen oder konzentrierter Fotovoltaik.

Gleiche Wärmeleitung in allen Richtungen

In der Luft- und Raumfahrt, bei Bahnantrieben oder in industriellen Leistungshalbleitermodulen mit besonders hoher Leistungsdichte sind sehr hohe Betriebsspannungen bei hoher Teilentladungsfestigkeit und extremer Zuverlässigkeit gefordert. Hier wird als Trägermaterial für DCB-Substrate Alunit-Keramik mit ihrer hohen Wärmeleitfähigkeit (≥ 170 W/mK) und mechanischen Stabilität verwendet. Gegenüber Al2O3 mit einem Wärmeausdehnungskoeffizient von ca. 7,1 ppm/K birgt AlN mit etwa 4,1 ppm/K einen weiteren Vorteil: Ihr TCE liegt nahe an dem des Siliziums (rd. 4 ppm/K) und ruft dadurch kaum thermische Spannungen in der Lotschicht zwischen Chip und Substrat hervor. Zudem hat Keramik in alle Richtungen gleiche Wärmeleitung und Ausdehnung. Die mechanische Stressbelastung beispielsweise ungehäuster Siliziumchips ist daher gering.

DCB-Substrate sind meist recht klein aber von großer Wirkung. Und Keramik ist generell durch ihre spezifischen Eigenschaften von überschaubarer Größe. Ihre Qualität wird durch dedizierte Fertigungstechnologien gesichert: Spritzgießen, Trockenpressen, Extrudieren, Foliengießen, Lasern oder Metallisierung. Erzeugnisse aus stranggepresstem AlN waren bisher auf dem Weltmarkt nicht erhältlich. Das Extrudieren von Alunit bedeutet einen enormen technologischen Sprung, der stabförmige Körper und Rohrsysteme aus Keramik mit hoher Wärmeleitfähigkeit ermöglicht. Mit der von CeramTec erreichten Serienreife wurde neben der technischen Reproduzierbarkeit ein effizientes Fertigungsverfahren auch großer Stückzahlen erreicht. Die Bandbreite der Dimensionen reicht zur Zeit von 0,98 mm bis etwa 35 mm Durchmesser. Die Mindestwandung ist 0,2 mm, die Maximallänge 250 mm.

Vielfältiger Materialmix für unterschiedliche Anwendungen

Nicht immer muss es gleich Alunit sein. Rubalitkeramiken gibt es mit Aluminiumoxidanteilen zwischen 50 und 99% und 3,5 bis 28 W/mK. Die Anwendung bestimmt den Materialmix. So wurde Rubalit 708 speziell für Hochleistungs- und Metallschichtwiderstände entwickelt. Aufgrund seiner hohen Festigkeit und Beanspruchbarkeit ist das Material auch für Draht gewickelte Präzisionswiderstände im Einsatz. Mit 85% Al2O3 wird eine Hochleistungskeramik für Metallschichtwiderstände realisiert, die aufgrund ihrer Festigkeit nur noch mit Lasern bearbeitet werden kann. Der Widerstand führt genauso viel Wärme ab wie Metallkappe und Beschichtung an Luft und Platine abgeben können.

Wo elektronische Bauteile bei zunehmender Leistung dichter und dichter gepackt werden hilft nur noch Aktivkühlung. Beispielsweise steigt die Effizienz von LEDs unaufhörlich bei verringerten Abmessungen und erhöhten Leistungsdichten der LED-Module. Verlustwärme von bis zu einigen MW/m² muss effektiv von der LED weggeführt werden, um Lebensdauerverkürzung, Zuverlässigkeitsprobleme und unerwünschte Verschiebungen von Parametern wie Flussspannung und Lichtleistung zu verhindern.

Da Keramik inert ist, bietet sie bei Flüssigkühlung einen weiteren Vorteil. Korrosion bei Kühlkörpern führt zur Veränderung der Oberflächen im Kühlkanal mit modifiziertem Fließverhalten des Kühlmediums, wie z.B. Verwirbelungen. Bei der Auswahl des Kühlmediums ist u.a. dessen Viskosität im eingesetzten Temperaturbereich zu beachten. Die Auswahl vergrößert sich durch die Resistenz der Keramik, welche die Kühlmittel nicht mehr auf demineralisiertes Wasser limitiert. Die unterschiedliche Leistung von Rubalit und Alunit läßt sich gut an einer kundenspezifischen CeramCool Liquid Cooling Variante illustrieren. Aus Rubalit kühlt diese 290 W auf 120 mm, aus Alunit sind es 640 W. Kein anderes Konzept kann dies bei gleicher Langlebigkeit erreichen.

Die steigenden Anforderungen bezüglich Kompaktheit machen integrierte Mikrokühlsysteme notwendig, die auf kleinstem Raum effektiv ein Kühlmittel möglichst nahe an die Wärmequelle bringen. 1,5 mm zwischen Wärmesenke und Kühlmittel sind schon heute problemlos im Einsatz. Hier ist Keramik unschlagbar. Doch die Miniaturisierung des Kühlkörpers mit hoher Packungsdichte und extremem Leistungsbereich macht immer häufiger Alunit thermisch notwendig und auch wirtschaftlich. Extrudierte Formen werden den Markt deutlich beeinflussen.

Anwendungsbeispiel: Power-LED auf CeramCool-Kühlkörper

*Rüdiger Herrmann ist Key Account Manager bei CeramTec GmbH, Plochingen.

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