Kühlkörper für Halbleiterkomponenten

Thermomanagement mit Keramik

23.11.2007 | Redakteur: Kristin Rinortner

Mit der zunehmenden Miniaturisierung wird ein effizientes Thermomanagement immer wichtiger. Ein keramischer Kühlkörper leitet barrierefrei die Wärme vom Halbleiter ab. Im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erzielt man eine höhere Kühlleistung und verringert die Abmessungen.

Hitze empfindliche Halbleiterkomponenten werden häufig auf Substraten montiert, die elektrisch isolieren und gleichzeitig ausreichend Wärme ableiten müssen. Oft verwendet man hier so genannte „Sandwiches“, Konstruktionen aus unterschiedlichen Werkstoffen, wobei jede Schicht eine zusätzliche Hürde für ideale Wärmeableitung bedeutet. Mit dem keramischen Kühlkörper CeramCool von CeramTec wird das Substrat selbst zum Kühlkörper.

Bild 1:Die unterschiedlichen Bauformen: oben herkömmliches LED-System in Sandwichbauweise, unten LED-Sytem mit CeramCool
Bild 1:Die unterschiedlichen Bauformen: oben herkömmliches LED-System in Sandwichbauweise, unten LED-Sytem mit CeramCool

Am Beispiel einer High-Power-LED lässt sich der Unterschied zwischen der Sandwichbauweise und

Bild 1:Die unterschiedlichen Bauformen: oben herkömmliches LED-System in Sandwichbauweise, unten LED-Sytem mit CeramCool
Bild 1:Die unterschiedlichen Bauformen: oben herkömmliches LED-System in Sandwichbauweise, unten LED-Sytem mit CeramCool

der durch CeramCool vereinfachten und verkleinerten Bauform gut darstellen (Bild 1).

Der Kühlkörper als Schaltungsträger

Der Kühlkörper lässt sich mit Dick- oder Dünnfilmprozessen beschichten. Damit wird die gesamte Oberfläche als Schaltungsträger nutzbar. So hat z.B. eine High-Power-LED an ihrem Gehäuse neben den elektrischen Anschlüssen meist eine metallische Fläche, über die Wärme zuverlässig abgeführt werden muss.

Bild 2:Der keramische Kühlkörper mit Metallisierungspads
Bild 2:Der keramische Kühlkörper mit Metallisierungspads

Diese Fläche kann, über auf dem keramischen Kühlkörper aufgebrachten Metallisierungspads, durch Löten mit dem Kühlkörper verbunden werden. Kompromisse wie Klemmen oder Kleben der High-Power-LED entfallen (Bild 2).

Weniger Lagen für höhere Miniaturisierung

Der mit den Leiterbahnen bedruckte Kühlkörper lässt sich wie eine Platine bestücken und in einem Reflow-Prozess als komplettes Bauteil fertig stellen. Man kann den Chip auch direkt auf dafür vorgesehene metallische Oberflächen des Kühlkörpers bonden.

Da sich der keramische Kühlkörper mit erprobten Verfahren wie Dünn- und Dickschichttechnologie verarbeiten lässt, können qualifizierte Prozesse und Materialien, die sich in High-Tech-Anwendungen der Leistungselektronik oder in der Flugzeug- und Automobilindustrie bewähren, eingesetzt werden. Bei fachgerechter Montage erweist sich die Keramik als stabil und mechanisch gut belastbar.

Exzellentes thermisches Management für hohe Lebensdauer

Der Kühlkörper besteht aus den keramischen Werkstoffen Rubalit 708, Ru-balit 710 oder Alunit. Sie besitzen einen an Halbleitermaterialien angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, hervorragende elektrische Kenngrößen und sind gleichzeitig korrosionsbeständig. Die vereinfachte Bauweise (kein Kleber, keine Isolationsschichten etc.) in Kombination mit einer direkten und dauerhaften Verbindung von High-Power-LED und Kühlkörper schafft optimierte Betriebsbedingungen für den gesamten Aufbau. Das Ergebnis ist sehr gute Langzeitstabilität, sicheres thermisches Management und hohe Zuverlässigkeit. Die Lebensdauer steigt.

Maximaltemperatur am Chip halbiert

Bild 3:Wärmeverteilung beim Aluminiumsystem: Der Aluminiumkörper bleibt kalt, der Chip hat eine Maximaltemperatur von 160 °C (Quelle: Fraunhofer Institut Nürnberg).
Bild 3:Wärmeverteilung beim Aluminiumsystem: Der Aluminiumkörper bleibt kalt, der Chip hat eine Maximaltemperatur von 160 °C (Quelle: Fraunhofer Institut Nürnberg).

Das Fraunhofer Institut Nürnberg hat Markt übliches Aluminium mit geklebtem Chip und CeramCool aus Rubalit bzw. Alunit mit Metallisierungspad und gelöteter LED bezüglich ihrer Oberflächentemperatur simuliert. Beide Kühlkörper besaßen die gleiche Geometrie. Der Aluminiumkühlkörper (Bild 3) bleibt relativ kalt, aber der Chip erreicht eine Maximaltemperatur von 160°C.

Bild 4:Wärmeverteilung beim keramischen System: Der keramische Kühlkörper wird warm und leitet die am Chip entstehende Wärme ab. Die Maximaltemperatur am Chip beträgt 79 °C (Quelle: Fraunhofer Institut Nürnberg).
Bild 4:Wärmeverteilung beim keramischen System: Der keramische Kühlkörper wird warm und leitet die am Chip entstehende Wärme ab. Die Maximaltemperatur am Chip beträgt 79 °C (Quelle: Fraunhofer Institut Nürnberg).

Die für den Aluminiumaufbau notwendige Kleberschicht verhindert die Wärmeabfuhr. Der keramische Kühlkörper (Bild 4) wird warm und leitet die entstehende Wärme großflächig über seine Oberfläche ab.

Der Grund ist simpel: Der Chip ist nur über Metalle mit dem elektrisch isolierenden Kühlkörper verbunden. Die Maximaltemperatur am Chip ist mit 79 °C halb so hoch wie beim Aluminiumaufbau.

Bild 5:Wärmeverlauf über der Zeit: : Nach 0,1 s erreicht CeramCool 45 °C, das Aluminiumsystem rund 60 °C (Quelle: Fraunhofer Institut Nürnberg)
Bild 5:Wärmeverlauf über der Zeit: : Nach 0,1 s erreicht CeramCool 45 °C, das Aluminiumsystem rund 60 °C (Quelle: Fraunhofer Institut Nürnberg)

Dass die Wärmequelle ihre Wärme ohne Barriere schnell an den keramischen Kühlkörper abgeben kann, zeigt Bild 5. Beim Einschalten schnellt die Chiptemperatur sofort hoch. Nach 0,1 s erreicht sie beim keramischen Kühlkörper 45 °C und rund 60 °C beim konventionellen Aufbau mit Aluminiumkühlkörper. Das keramische System arbeitet deutlich dynamischer, das Aluminiumsystem mit Verzögerung.

Der Kühlkörper wird mit oder ohne Metallisierungen geliefert und kann nach Kundenspezifikationen gefertigt werden. Individuelle Formen sind möglich. Durch die vereinfachte Bauweise, die Möglichkeit, den Kühlkörper als Schaltungsträger zu nutzen, und das zuverlässige Thermomanagement wird eine starke Miniaturisierung erzielt.

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