Thermisches Design Direktgekühlte Substrate für hohe SiC-Leistungsdichten

Mit steigender Leistungsdichte von SiC-Modulen wird nicht mehr der Halbleiter selbst zum limitierenden Faktor, sondern der Wärmepfad zum Kühlmedium. Direktgekühlte Substrate sollen thermische Widerstände reduzieren und neue Freiheitsgrade im Design eröffnen.

SiC-Leistungshalbleiter erhöhen Leistungsdichte und Schaltfrequenz – und bringen klassische Kühlkonzepte an ihre Grenzen. Mit steigenden Wärmestromdichten wird der Wärmepfad zum Kühlmedium zunehmend zum limitierenden Faktor. Neue Ansätze integrieren die Kühlstruktur deshalb direkt in das Substrat, um thermische Übergänge zu reduzieren und hohe Verlustleistungen auf kleinem Raum beherrschbar zu machen.

SiC verschärft die Kühlanforderungen

Mit dem Einsatz von SiC-MOSFETs und Dioden verändern sich die Rahmenbedingungen in der Leistungselektronik deutlich. Höhere zulässige Sperrschichttemperaturen, kurze Schaltzeiten mit hohen du/dt- und di/dt-Werten sowie steigende Schaltfrequenzen ermöglichen kompaktere und leistungsdichtere Module. Gleichzeitig konzentriert sich die Verlustwärme jedoch auf immer kleinere Flächen. Dadurch entstehen lokal sehr hohe Wärmestromdichten, die das thermische Design zunehmend zur zentralen Herausforderung machen. Entscheidend ist dabei nicht nur das Halbleiterbauelement, sondern auch der Wärmepfad vom Chip bis ins Kühlmedium. Jede zusätzliche Schicht zwischen Halbleiter und Kühler erhöht den thermischen Widerstand und stellt zugleich eine potenzielle Schwachstelle hinsichtlich Alterung, mechanischer Belastung oder Zuverlässigkeit dar.

Klassische Leistungsmodule verbinden das Substrat über Baseplate und Wärmeleitmaterialien mit einem separaten Kühlkörper. Der Wärmestrom muss dabei mehrere Material- und Fügeschichten durchlaufen. Jede dieser Übergangsschichten beeinflusst Temperaturverteilung, Alterungsverhalten und Zuverlässigkeit des Systems. Thermische Grenzflächen gelten dabei als potenzielle Schwachstellen. Alterungseffekte wie Pump-Out, Delamination oder Rissbildung können den thermischen Kontakt verschlechtern und zu höheren Halbleitertemperaturen führen. Gleichzeitig wird besonderer Wert auf geringes Gewicht und kompakten Bauraum gelegt.

Direktgekühlte Substrate

Ein Entwicklungsansatz, wie er von Rogers Corporation entwickelt wird, besteht darin, den Kühler nicht erst im späteren Montageprozess mit dem Substrat zu verbinden, sondern bereits während der Substratherstellung direkt zu integrieren. Dadurch lässt sich der Wärmepfad deutlich verkürzen, während kritische Füge- und Übergangsschichten entfallen. Zum Einsatz kommen dabei integrierte Mikrokanalstrukturen, über die die Verlustwärme unmittelbar nach dem Keramikisolator in das Kühlmedium abgeführt wird.

Die eigens für Elektrofahrzeuge entwickelten Strukturen ermöglichen deutlich höhere Wärmeübergangsleistungen, die gerade bei begrenztem Bauraum notwendig sind. Gleichzeitig müssen Anforderungen an Druckverlust, Partikelverträglichkeit und Fertigbarkeit – insbesondere im Automotive-Umfeld – berücksichtigt werden, denen diese Strukturen gerecht werden. Die eigentliche Herausforderung solcher Konzepte zeigt sich häufig im Fertigungsprozess. Der Einsatz unterschiedlicher Materialkombinationen und Dicken mit voneinander abweichenden thermischen Ausdehnungskoeffizienten führt bereits nach dem Fügeprozess zu ausgeprägten thermomechanischen Spannungen. Diese Spannungen manifestieren sich in resultierenden Durchbiegungen, sowohl bei Raumtemperatur als auch während nachgelagerter Prozessschritte und im späteren Betrieb. Eine kontrollierte Beherrschung dieses mechanischen Verhaltens ist entscheidend, um Verformungen über den gesamten Lebenszyklus hinweg anforderungsgerecht zu begrenzen, ohne Zuverlässigkeit oder Systemabdichtung des Moduls zu beeinträchtigen. Rogers ist es dabei gelungen, ein inhärent asymmetrisches Design durch eine gezielte Massenbalance mechanisch zu kontrollieren. Diese strukturelle Optimierung neutralisiert die auftretenden Spannungen effektiv und verhindert ein kritisches Durchbiegen (Bowing) unter thermischer Last. Die gewonnene mechanische Stabilität garantiert sowohl eine hohe Ausbeute in der Modulfertigung als auch die uneingeschränkte Zuverlässigkeit im späteren Fahrzeugeinsatz.

Thermisches Verhalten und Aufbau

Durch den deutlich verkürzten Wärmepfad und die Eliminierung zusätzlicher thermischer Barrieren kann der thermische Widerstand zwischen Halbleiter und Kühlmedium signifikant reduziert werden, während gleichzeitig eine höhere Fügezuverlässigkeit als bei klassischen Lötprozessen erreicht wird. Dies trägt zur Absicherung zukünftiger Halbleitergenerationen mit erhöhten zulässigen Betriebstemperaturen bis 175 °C und darüber hinaus bei.

Wie integrierte 6-in-1-Demonstratoren zeigen, lässt sich dieses Potenzial in praxisnahen Aufbauten realisieren: Bei einem thermischen Widerstand von 0,158 K/W (Junction–Fluid) und Δ p ≈ 0,18 bar (10 l/min, Wasser/Glykol 1:1, T_in = 65 °C) wurden Leistungen bis 330 kW bei T_j,max = 175 °C erreicht. Das ist bei gleichzeitig sehr geringen Streuinduktivitäten von 3,23 nH möglich. Neben der thermischen Performance lassen sich durch den Wegfall von Prozessschritten, kritischen Edelmetallen und zusätzlichen Komponenten sowohl Gewicht als auch Modulgröße signifikant reduzieren, wodurch ein relevanter Beitrag zur Nachhaltigkeit und Ressourceneffizienz geleistet wird.

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Neue Freiheitsgrade im Modulaufbau

Integrierte Kühlstrukturen verändern nicht nur das Thermomanagement, sondern auch die Architektur künftiger Leistungsmodule. Kürzere Wärmepfade und vereinfachte Schichtaufbauten ermöglichen kompaktere Designs mit hoher Leistungsdichte und können gleichzeitig Anforderungen an Gewicht, Bauraum und Zuverlässigkeit adressieren. Damit entwickelt sich die Kühlstruktur zunehmend vom passiven Zusatzbauteil zu einem integralen Bestandteil des Moduldesigns.

Die enge Kopplung von Substrat, Kühlstruktur und Leistungshalbleiter eröffnet damit neue Freiheitsgrade für kommende Generationen der Leistungselektronik. Rogers hat eindrucksvoll belegt, dass Substrate mit direkt integrierten Mikrokanalkühlern weit über den Forschungsstatus hinausgehen und ihre Leistungsfähigkeit erfolgreich unter realen industriellen Einsatzbedingungen nachweisen. (mr)

* Vitalij Gil ist Senior Manager New Business Development bei Rogers Corporation.

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