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Wärmemanagement SiC-Halbleiter: So lässt sich Wärme leiten und Bauteile schützen

Von Dipl.-Ing. (FH) Hendrik Härter 3 min Lesedauer

Anbieter zum Thema

Kerafol Keramische Folien GmbH
ET System electronic GmbH
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG
CTX Thermal Solutions GmbH

Moderne Leistungselektronik wird nicht nur effizienter, sondern auch kompakter. Ein spezielles Granulat unterstützt die Wärmeabfuhr und bietet mechanischen sowie elektrischen Schutz für Komponenten.

Eine mit Keramold umspritzde Platine. Durch den Overmolding-Prozess kann der Kontaktwiderstand zwischen dem Keramold-Material und dem Halbleiter auf ein Minimum reduziert werden. Dazu trägt auch die hohe Weichheit und Elastizität des Materials bei, welche im Gegensatz zu klassischen Kunststoffen im niedrigen Shore A-Bereich liegt. (Bild: Kerafol)
Eine mit Keramold umspritzde Platine. Durch den Overmolding-Prozess kann der Kontaktwiderstand zwischen dem Keramold-Material und dem Halbleiter auf ein Minimum reduziert werden. Dazu trägt auch die hohe Weichheit und Elastizität des Materials bei, welche im Gegensatz zu klassischen Kunststoffen im niedrigen Shore A-Bereich liegt.
(Bild: Kerafol)

Mit der steigenden Nachfrage nach kompakter, leistungsfähiger Elektronik wird ein effizientes Wärmemanagement immer wichtiger. Vor allem bei modernen Halbleitertechnologien wie Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN). Auf dem Fachkongress Power of Electronics am 29. und 30. Oktober in Würzburg wird unser Referent Wolfgang Höfer über das thermisch leitfähige Granulat Keramold referieren. „Dabei handelt es sich um ein hoch wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Spritzgussgranulat“, erläutert Wolfgang Höfer von Kerafol.

Im Gegensatz zu herkömmlichen Kunststoffen ist das Material außerdem sehr weich. Dadurch können Toleranzen, Oberflächenrauigkeiten sowie mechanische Belastungen in Form von Vibrationen kompensiert werden. In Bezug auf die anderen Eigenschaften gleicht es Gap Pads oder Gap Filler Liquids. Zu den Vorteilen gehört, dass es deutlich günstiger ist und 3D-Konturen möglich sind. Im Vergleich zu Gap-Filler-Liquids ist eine schnellere Prozesszeit in der Fertigung möglich.

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(Bild: VCG)

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Wärmeleitfähig und elektrisch isolierend

Keramold erreicht eine Wärmeleitfähigkeit von über 2,5 W/mK in Z-Richtung und über 3,2 W/mK in X/Y-Richtung. „Die Verwendung von speziellen Füllstoffen erhöht die Effizienz des Wärmetransfers erheblich“, sagt Höfer. Das Material ist zudem in der Lage, elektrische Isolation von mehreren kV zu bieten, entscheidend für Hochenergieanwendungen in der Leistungselektronik.

Herr Höfer, was ist Keramold genau und welche Materialeigenschaften bietet es an?

Keramold ist ein hoch wärmeleitfähiges und elektrisch isolierendes Spritzgussgranulat. Seine Weichheit gleicht Toleranzen und mechanische Belastungen aus.

Wie trägt Keramold zur elektrischen Isolation und mechanischen Stabilität bei?

Das Granulat ist hoch elektrisch isolierend und diese Eigenschaften können durch den Spritzgussprozess reproduzierbar hergestellt werden. Die Schichtstärkentoleranz bei Gap Pads beträgt ± 10 %, bei Spritzgussbauteilen hingegen weniger als 1 %. Wie ein Gap Pad verfügt Keramold über ein elastisches Verhalten.

Was steckt dahinter?

Keramold ist ein speziell entwickeltes, thermisch hochleitfähiges und elektrisch isolierendes Granulat auf TPE-Basis, welches die Vorteile verschiedener Materialgruppen im Bereich der TIMs kombiniert. Es wird im Overmolding-Prozess direkt auf die Platine oder den Halbleiterchip aufgebracht, wodurch eine passgenaue, wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Schutzschicht entsteht, das Ganze ohne Vernetzungsprozess.

Welche spezifischen Anwendungsbeispiele werden im Vortrag behandelt?

Der Fokus liegt auf dem Top-Side-Cooling von Halbleitern. Top-Side Cooling ist aktuell eines der bestimmenden Themen, da es viele Vorteile bietet, aber auch viele Herausforderungen mit sich bringt. In dieser Passage kann ich die aktuell verfügbaren technischen Lösungen miteinander vergleichen, da wir all diese Produktgruppen herstellen.

Wie verbessert Keramold das Wärmemanagement in elektronischen Baugruppen?

Keramold wird nicht alle Gap-Filler oder -Pads ersetzen können, denn das hängt von der jeweiligen Anwendung ab. Die Wärmeleitfähigkeit ist zwar nicht höher, aber die Möglichkeit, 3D-Konturen herzustellen, schafft neue Freiheitsgrade. Auch die Tatsache, dass Bauteile umspritzt werden können, wird den thermischen Übergangswiderstand senken. Beim Top-Side-Cooling kann man dadurch (und durch die gute Wärmespritzung) eine effiziente Wärmeabfuhr erreichen.

Keramold hat seine Vorteile, wenn das Projekt ganzheitlich betrachtet wird, inklusive Automatisierung in der Fertigung, Prozesszeiten und Kosten. (heh)

Weitere Vorträge auf den Cooling Days 2025

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