Wärmeleitmaterialien Wärmemanagement für SiC-Halbleiter: Hybrider Ansatz für das Top Side Cooling

Anbieter zum Thema

Kerafol Keramische Folien GmbH

ET System electronic GmbH

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Thermal Interface Materials gewährleisten eine effiziente Wärmeableitung von der Wärmequelle Halbleiter zur Wärmesenke Kühlkörper. Zunehmend wird hier auch eine sehr hohe elektrische Isolationsfestigkeit gefordert. Hybridmaterialien bieten eine interessante Alternative.

Der steigende Bedarf an leistungsfähiger und kompakter Leistungselektronik stellt hohe Anforderungen an das Wärmemanagement moderner Halbleitertechnologien. Insbesondere Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) bieten erhebliche Vorteile gegenüber herkömmlichen Siliziumlösungen, darunter eine höhere Spannungsfestigkeit, geringere Schaltverluste und eine verbesserte Effizienz bei hohen Temperaturen. Allerdings geht diese höhere Leistungsdichte mit einem erhöhten Kühlbedarf einher.

Traditionell erfolgt die Wärmeableitung über die Unterseite des Halbleiters (Bottom Side Cooling), bei dem die Verlustwärme durch das Substrat und die Lötverbindung an das Gehäuse weitergeleitet wird. Allerdings begrenzen mehrere thermische Schnittstellen die Effizienz dieser Methode.

Bildergalerie

Eine vielversprechende Alternative stellt das Top Side Cooling dar, bei dem die Wärme direkt über die Oberseite des Chips an einen Kühlkörper abgeführt wird. Dies reduziert den Wärmewiderstand und verbessert die Temperaturhomogenität innerhalb des Halbleiters, was wiederum die Lebensdauer und Effizienz des gesamten Systems steigert.

Ein zentraler Faktor für die erfolgreiche Implementierung von Top Side Cooling ist die Auswahl eines geeigneten Thermal Interface Materials (TIM), welches eine effiziente Wärmeübertragung ermöglicht

Herausforderungen herkömmlicher TIMs für Top Side Cooling

Um die Wärmeableitung im Top Side Cooling zu optimieren, müssen TIMs mehrere Anforderungen erfüllen: Sie sollten eine hohe Wärmeleitfähigkeit besitzen, thermische Übergangswiderstände minimieren, in den meisten Anwendungen elektrisch isolieren und gleichzeitig eine hohe mechanische Stabilität und Zuverlässigkeit bieten.

Wärmeleitpasten weisen durch ihre geringe „BLT“ (Bond-line Thickness) einen sehr geringen thermischen Widerstand auf, sind jedoch elektrisch nicht isolierend. Auch neigen einige der auf dem Markt befindlichen Pasten gerade bei intensiveren „Power Cycles“ zum sogenannten „Pump Pump out“-Effekt.

Generell ist der Auftrag der Paste per Sieb- oder Schablonendruck sehr zeitaufwendig. Auch sind Pasten nicht zum Toleranzausgleich gedacht, dort werden vernetzende System wie Gap Filler Liquids verwendet.

Phasenwechselmaterialien (Phase Change Materials; PCM) schmelzen bei höheren Betriebstemperaturen und reduzieren dadurch ihren Kontaktwiderstand. Allerdings sind sie mechanisch über einen längeren Zeitraum bzw. über eine höhere Zyklenzahl eher instabil und können demnach an Leistung verlieren. Auch diese Materialgruppe ist für Anwendungen, bei denen eine elektrische Isolation gefordert ist, nicht geeignet. Zusätzlich erfordert das Auftragen eines PCMs spezielle zeitaufwendige Montagemethoden wie z.B. Siebdruck.

Die Verwendung von Gap Filler Liquids (GFL) ist inzwischen gerade bei höheren Stückzahlen ein oft gewählter Ansatz. Gerade die Kombination aus hoher Wärmeleitfähigkeit, geringen Materialkosten und einfacher Automatisierung durch Dispensanlagen bietet hier einige Vorteile. Im Gegensatz zu den vorher erwähnten Produktgruppen sind Gap Filler Liquids auch elektrisch isolierend.

Nachteilig ist die längere Prozesszeit in der Fertigung durch den benötigten Vernetzungsvorgang des Materials an sich. Im Falle komplexer Geometrien ist die exakte Beeinflussung der Materialverteilung durch die Abhängigkeit vom Dispensprozess sowie der Bauteiltoleranzen etwas erschwert. Dennoch sind Gap Filler Liquids ein sehr gern gewählter Ansatz, da diese durch den „Nass in Nass“-Verbau speziell im Toleranzausgleich große Vorteile haben und der mechanische Druck auf die Baugruppen sehr gering ist

DER KONGRESS FÜR ELEKTRONIKENTWICKLER

Entwickeln mit Weitblick – Die 360-Grad-Sicht auf die Elektronik

Von der ersten Idee bis zum marktreifen Produkt: Power of Electronics liefert Wissen, Werkzeuge und Kontakte für erfolgreiche Elektronikentwicklung. Egal, ob Sie am Anfang Ihrer Karriere stehen oder erfahrener Spezialist sind – hier finden Sie tiefgehende Inhalte, aktuelle Technologien und innovative Lösungen. Es erwartet Sie ein auf verschiedene Themengebiete der Elektronik fokussiertes Vortragsprogramm, eine übergreifende Fachausstellung mit den jeweiligen Spezialunternehmen und Komponentenanbietern sowie zahlreiche Möglichkeiten zum interdisziplinären Austausch und intensiven Networking.

Jetzt anmelden!

Isolationsfestigkeit: Hybridansatz bei Wärmeleitmaterialen

Durch den Trend im Automotive-Bereich von 400-V-Systemen auf eine 800-V-Architektur zu wechseln, ergeben sich vor allem im Bereich der elektrischen Isolationsfestigkeit neue Herausforderungen. Aus Sicherheitsgründen wird z.B. ein 2-lagiger Aufbau des TIMs gefordert, um die elektrische Isolation auch im Falle von Verunreinigungen durch metallische Partikel oder Lufteinschlüssen sicher zu gewährleisten.

Keramold ist ein speziell entwickeltes, thermisch hochleitfähiges und elektrisch isolierendes Granulat auf TPE-Basis (thermoplastisches Elastomer), welches die Vorteile verschiedener Materialgruppen im Bereich der TIMs kombiniert. Dieses spezielle Material kombiniert eine 3D-Wärmeübertragung mit einer hohen elektrischen Isolation von elektronischen Bauteilen.

Es erweitert zudem die Möglichkeiten des Wärmemanagements, da es über die klassischen 2D-Wärmeleitpfade von Folien oder Pads hinausgeht.

Das Granulat kann klassisch mittels Spritzguss-Techniken oder mit Overmolding aufgebracht werden. Beim Overmolding wird das geschmolzene Granulat direkt auf die Platine bzw. den Halbleiterchip aufgebracht, wodurch eine passgenaue, wärmeleitfähige und elektrisch isolierende Schutzschicht entsteht, die ohne Vernetzungsprozess erfolgt.

Vergleich zu TIMs aus klassischen Kunststoffen

Gerade das Top Side Cooling bringt gleichzeitig einige mechanische, elektrische und thermische Herausforderungen mit sich. Die Wärmeverlustleistung des SiC-Halbleiters setzt sich aus den Leitungs- und den Schaltverlusten zusammen und kann, je nach Anwendung, mehrere 100 W pro Modul betragen (z.B. bei SiC-MOSFETs für Inverter in Elektroautos). Zusätzlich steigt auch die Anforderung an die Isolationsfestigkeit, die elektrische Isolation des TIMs muss oftmals mehrere kV betragen, was durch das neu entwickelte Material erreicht werden kann.

Durch Overmolding lässt sich der Kontaktwiderstand zwischen dem TIM und dem Halbleiter auf ein Minimum reduzieren. Dazu trägt auch die geringe Härte und hohe Duktilität des Granulats bei, welches im Gegensatz zu klassischen Kunststoffen im Shore A-Bereich liegt.

Dank spezieller Füllstoffe erreichen Produkte der Keramold-Reihe eine Wärmeleitfähigkeit von über 2,5 W/mK in z-Richtung (through plane) und über 3,2 W/mK in x/y Richtung (in plane), auch das ist im Vergleich zu klassischen Kunststoffen deutlich höher. Ein Material mit 3,5 W/mK (Keramold 35) ist bereits in Entwicklung. Durch die verbesserte Wärmeableitung und die zusätzliche Wärmespreizung können Hot Spots besser gekühlt und Kühlkörper kleiner dimensioniert werden.

Die 3D-Form des TIMs verbessert nicht nur den Wärmetransport an sich, sondern ermöglicht einen einfacheren Umgang mit Kriechströmen, da nicht nur die Kontaktfläche des Halbleiters, sondern z.B. auch die Pins gekapselt werden. Auch die Materialausnutzung ist bei dieser Methode sehr hoch und reproduzierbar darstellbar. Das TIM weist einen CTI-Wert (Comparative Tracking Index) von mehr als 600 V für die Kriechstromfestigkeit auf, ist damit der Isolationsklasse I zuzuordnen und kann dazu beitragen, dass die Bauteilabstände klein bleiben können.

Das Umspritzen mit dem weichen und elastischen TPE schützt den Halbleiterchip zusätzlich vor mechanischen Belastungen wie Vibrationen oder „CTE mismatch“ (thermische Fehlanpassung aufgrund unterschiedlicher Wärmeausdehnungskoeffizienten bei Werkstoffverbunden), Feuchtigkeit und Umwelteinflüssen, was die Lebensdauer der elektronischen Bauteile verlängert.

Das Umspritzen der Halbleiter kann vollständig in bestehende Fertigungsprozesse integriert werden und führt zu einer geringeren Prozesszeit innerhalb der Fertigung. Das Aushärten von 2K-Materialien wie Potting oder Gap Filler dauert deutlich länger, als dies bei Spritzgussteilen der Fall ist. Die Fertigungsqualität und Wiederholungsgenauigkeit beim Umspritzen ist sehr hoch.

Durch die vollständige Kapselung der Platine sowie der SiC-Halbleiter können andere Materialien und Prozessschritte wie Potting oder Conformal Coating entfallen, da das Material nicht nur für den Wärmetransport, sondern auch für den Schutz der der elektronischen Baugruppe entwickelt wurde.

Fazit: Schlüsseltechnologie für Top Side Cooling

Die Anforderungen im Bereich der Leistungselektronik sind sehr komplex und auch individuell. Daher ist es nicht möglich pauschal zu sagen, welche TIM-Gruppe verwendet werden soll, da dies von vielen Faktoren abhängt. Keramold stellt hier dennoch definitiv einen neuen Ansatz dar und schafft dem Entwickler neue Freiheitsgrade.

Durch das direkte Umspritzen des Halbleiters mit einer wärmeleitfähigen Schutzschicht werden unter Anbetracht einer reduzierten Prozesszeit in der Fertigung, sowohl die Wärmeableitung, als auch die elektrische Isolation und die mechanische Stabilität optimiert. Ihren größten Vorteil zeigen sie, wenn neben dem Schutz der Elektronik auch eine Verbesserung der thermischen Leistungsfähigkeit erreicht werden soll. Die Eigenschaften werden kontinuierlich weiter verbessert werden, was für manche Anwendungen auch noch erforderlich ist.

Hybridmaterialien sind zwar erst einmal aufwändiger, dennoch werden sie durch die steigenden Anforderungen an die Isolationsfestigkeit eine zunehmend wichtigere Rolle spielen. (kr)

* Wolfgang Höfer ist Geschäftsbereichsleiter Thermal Management bei Kerafol in Eschenbach.

(ID:50565761)