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CeramTec GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Die hier vorgestellte Lösung besteht aus einem Quader aus Aluminumnitrid. In diesen werden Löcher eingebracht, die mit Kupferpaste gefüllt werden, sodass Vias entstehen. Die Ober- und Unterseite des Quaders sind vollflächig mit Kupferpaste bedruckt und verbinden die Vias untereinander. Zudem lassen sich die Außenseiten dieses Quaders ebenfalls mit Kupferpaste bedrucken, was den elektrischen und thermischen Widerstand weiter reduziert.

Für den Keramikquader wurde Aluminiumnitrid gewählt, welches mit etwa 180 W/mK eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften wird der thermische Ausdehnungskoeffizient des Quaders vom Aluminiumnitrid bestimmt und liegt mit ungefähr 4,5 ppm sehr nahe am Silizium. Damit kann dieser problemlos mit der Oberseite des Chips verlötet oder auf diesen aufgesintert werden.

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Sinnvoller Weise wird dies mit Flüssigkeitskühlern kombiniert. Mit Flüssigkeiten können deutlich höhere Wärmemengen abtransportiert werden als mit Gasen. Dies liegt zum einen an der meist höheren spezifischen Wärmekapazität, verglichen mit der von Gasen, vor allem aber an deren deutlich höheren Dichte und damit bei Konvektion vorbeiströmenden Masse je Zeiteinheit. Gemäß ΔQ=m * c * Δt ist die abgeführte Wärmemenge ΔQ direkt proportional zum Produkt aus der Masse m und der spezifischen Wärme c.

Betrachtet man die gängigen Kühlmedien Luft und Wasser/Glykol-Gemisch (50/50), so erkennt man, dass neben der etwa 3,5fach höheren spezifischen Wärmekapazität vor allem die zirka 750fach höhere Dichte des Wasser/Glykol-Gemisches zu der signifikant höheren Entwärmungsleistung führt. In der Praxis ergeben sich bei erzwungener Konvektion Faktoren zwischen 10 und 200.

Im hier beschriebenen Aufbau wird als Flüssigkeitskühler der so genannte Multi-K der Firma CeramTec verwendet. Dieser zeichnet durch hohe thermische Effizienz, mechanische Robustheit und vor allem geringe Bauhöhe aus. Beide Flüssigkeitskühler werden wie zuvor beschrieben direkt metallisiert. In die Kupfermetallisierung des oberen Kühlers wird der Keramikquader nass in nass gefügt und gemeinsam mit diesem versintert. Dies hat den Vorteil, dass keine thermisch nachteilige Lotverbindung erforderlich ist.

Ermittlung des R_th von Flüssigkeitskühlern

In einem flüssigkeitsdurchströmten Kühler wird der Energietransport zwischen der Wand und dem Fluid als Wärmeübergang bezeichnet. Er wird durch die Gleichung P=α * A * (T_W-T_F) beschrieben, wobei T_W für die Temperatur der Wandfläche und T_F für die Temperatur des Fluids steht. Die Kontaktfläche A und der Wärmeübergangskoeffizient α sollten somit möglichst hoch sein. Während dies bei der Fläche A rein konstruktiv lösbar ist, gehen in die Betrachtung von α der den Wärmetransport von der Wandung in die Flüssigkeit beschreibt, verschiedene Faktoren ein. Neben der kinematischen Viskosität der Oberflächenbeschaffenheit des Kühlkanales, welche eine Materialkonstante darstellt, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums von großer Bedeutung, da sie doch den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung bestimmt.

Gemäß der von Ludwig Prandtl verfassten Grenzschichttheorie treten bei einem von einem Fluid durchströmten Rohr bei laminarer Strömung starke Geschwindigkeitsunterschiede über den Rohrquerschnitt auf. Die Strömungsgeschwindigkeit ist an der Rohrwandung aufgrund der hydrodynamischen Haftbedingungen v_z=0, um mit zunehmendem Abstand von der Wand auf ihren Endwert anzusteigen.

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