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Entwärmen von Power Devices

Optimale thermische Kopplung bei doppelseitiger Entwärmung

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CeramTec GmbH
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
CTX Thermal Solutions GmbH

Erhöhte Zuverlässigkeit und Lebensdauer

Bei konventionellen Leistungsmodulen kommen häufig DCB-Substrate zum Einsatz. Bei diesen wird in einem speziellen Hochtemperaturprozess Kupferfolie fest mit der Keramik verbunden. Die Schichtdicke beträgt dabei prozessbedingt meist 200 oder 300 µm (bei Verwendung von SiN-Keramik auch dicker).

Ähnlich ist die Situation bei AMB. Die Kupferfolie hat mit etwa 16 ppm/K einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der deutlich höher ist als der von Keramik. Dies führt bei thermischer Belastung zu mechanischem Stress an der Verbindungsschicht, der nach einiger Zeit zum Versagen führt.

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Die bei der Chip-on-Heatsink-Technologie verwendete Kupferpaste besitzt zur Einstellung der rheologischen Parameter organische Bindemittel. Diese werden vor dem eigentlichen Versintern der Metallpartikel bei einer niedrigeren Temperatur entbindert. Das von diesen Zusatzstoffen eingenommene Volumen wird nur bedingt durch das Metall ersetzt.

Die entstandene Leiterbahn besitzt daher eine schwammartige Struktur und ist deutlich duktiler als das gleiche Metall in massiver Form. Dies führt dazu, dass bei thermischer Belastung die zwischen Keramik und Leiterbahn auftretenden Kräfte geringer sind, wodurch eine signifikant höhere Zuverlässigkeit und Lebensdauer erreicht wird.

Ein weiterer Vorteil der Drucktechnologie ist, dass der Aufbau schichtweise erfolgt. So lassen sich neben hohen Leiterbahnen auch feine Strukturen mit einem Pitch von 200 µm realisieren. Um die Entflechtung zu erleichtern, sind mehrlagige Aufbauten sowie aufgedruckte Widerstände möglich.

Doppelseitige Entwärmung und Flüssigkeitskühlung

Ungekapselte Leitungshalbleiter führen den Strom nahezu vollflächig über die gesamte Chip-Fläche. Während die Unterseite der elektrischen und thermischen Kontaktierung dient, wird die Oberseite in der Regel nur elektrische mittel Bonddrähten kontaktiert, die lediglich einen geringen Anteil der Verlustleistung abführen. Zur Steigerung der Entwärmung des Chips kann daher die Oberfläche als zusätzlicher Entwärmungspfad genutzt werden, beispielsweise indem (ebenso wie auf der Unterseite) eine keramische Leiterplatte verwendet wird.

Hierbei sind gewisse Randbedingungen zu beachten. Zwischen den Leiterbahnen der oberen und unteren Leiterplatte ist ein Mindestabstand einzuhalten. Zum einen muss das Gate kontaktiert werden, zum anderen muss ein Dielektrikum (Silikongel, Mouldmasse) zwischen der oberen und der unteren Leiterebene eingebracht werden, um die Isolationsspannung zu gewährleisten. Aufgrund dessen Adhäsion und Viskosität wird eine bestimmte Spaltbreite benötigt. Ein weiterer Aspekt ist der thermische Ausdehnungskoeffizient.

An der Oberseite des Chips existiert die gleiche Problematik wie auf seiner Unterseite. Es wird eine Lösung benötigt, deren CTE möglichst nahe bei Silizium liegt. Hier bietet sich ein Metall/Keramik-Verbund an, wie er bereits in Form einer DCB als Leiterplatte verwendet wird. In analoger Form kann auch ein Keramikquader mit Metall, bevorzugt Kupfer, verbunden werden.

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