Entwärmen von Power Devices Optimale thermische Kopplung bei doppelseitiger Entwärmung

Autor / Redakteur: Roland Dilsch * / Gerd Kucera

Mit Chip-on-Heatsink hat CeramTec ein Verfahren entwickelt, in dem die Wärmequelle, etwa der Leistungshalbleiter, direkt auf eine metallisierte Wärmesenke per Löten oder Ag-Sintern montiert wird.

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Bild 1: Konventioneller Aufbau eines Leistungsmoduls.
Bild 1: Konventioneller Aufbau eines Leistungsmoduls.
(Bild: CeramTec)

Dieser Aufsatz beschreibt, wie durch die Verbindung bekannter und neuer Technologien eine hocheffiziente Kühlmethode entstanden ist. Hierbei wird die Chip-on-Heatsink-Direktmetallisierung mit Flüssigkeitskühlung und doppelseitiger Entwärmung kombiniert.

Speziell bei Anwendungen im Bereich der Hybrid- und Elektrofahrzeug erfordern steigende Leistungsdichten und sehr knapper Bauraum neue Konzepte der Entwärmung. Im Sinne von „Vermeiden vor Heilen“ müssen im ersten Schritt die Verluste des Halbleiters reduziert werden.

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Die seit vor einigen Jahren eingeführten Wide-Bandgap-Halbleiter wie GaN oder SiC bieten hier gegenüber den klassischen Silizium-IGBTs deutliche Vorteile, denn sie haben bekanntlich einen deutlich niedrigeren RDS(on). Sie besitzen im Vergleich zu IGBTs deutlich kleinere Chipflächen und damit eine wesentlich geringere Umkehr-Erholungsladung Qrr, was geringere Schaltverluste bewirkt. Zudem erlauben sie aufgrund des größeren Bandabstandes höhere Sperrschichttemperaturen.

Da in der Praxis höhere Wirkungsgrade schnell durch höhere Lastströme ausgenutzt werden, sind weitere Möglichkeiten zu betrachten, die entstehende Verlustleistung abzuführen. Gemäß der einfachen Gleichung ΔT = Rth x P ist der thermische Gesamtwiderstand von der Wärmequelle (also dem Chip) bis zur Wärmesenke (dem Kühlmedium) zu reduzieren.

Bild 1 zeigt den konventionellen Aufbau eines Leistungsmoduls mit den zugehörigen thermischen Widerständen. Eine Verbesserung des Gesamt-Rth bedeutet hier die Reduzierung der einzelnen thermische Widerstände, oder anders ausgedrückt, einzelne thermische Widerstände vollständig zu eliminieren.

Diesen Ansatz verfolgt die Chip-on-Heatsink-Technologie; Ausgangsbasis ist ein keramischer Kühler. Aufgrund der hohen Verlustleistungen ist dieser flüssigkeitsdurchströmt. Er verfügt über eine hohe thermische Leitfähigkeit, die gleichzeitig der elektrischen Isolation dient. Auf diese Kühlkörper werden drucktechnisch die Leiterbahnen aus Kupfer aufgebracht und eingesintert.

Dabei sind Leiterbahnhöhen bis zu 300 µm möglich, womit sich eine hohe Stromtragfähigkeit ergibt. Das Verfahren ist von der silberbasierenden Dickschichttechnologie bekannt, aufgrund des Materialpreises jedoch deutlich kostengünstiger. Auf diese Leiterbahnen wird der Chip direkt aufgelötet oder mit Silber aufgesintert. Durch diesen Aufbau (Bild 2) entfallen viele der bisherigen thermischen Widerstände. Der Gesamt-Rth sinkt deutlich.

Als Material für den Kühler kommen zwei Keramiken in Betracht: Aluminiumoxid und Aluminiumnitrid (wichtige Eigenschaften zeigt die Tabelle in Bild 6). Während aus technischer Sicht AlN aufgrund seiner signifikant höheren Wärmeleitfähigkeit die erste Wahl ist, sprechen preisliche Erwägungen eher für Al2O3. Im Vergleich zur herkömmlichen Lösungen ergeben sich Vorteile nicht nur hinsichtlich der thermischen Performance, sondern auch bezüglich Zuverlässigkeit und Lebensdauer.

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