CeramCool® Sandwich Kühler

Doppelseitige Kühlung von Leistungshalbleitern erhöht Packungsdichte

In der Leistungselektronik ist das Streben nach Miniaturisierung und immer kompakteren Abmessungen bei gleichzeitig zuverlässiger Abführung der steigenden Verlustleistung eine große Herausforderung. CeramTec entwickelte ein doppelseitiges Kühlkonzept, welches die Entwärmung steigert und dadurch die Leistungsdichte erhöht: CeramCool® Sandwich Kühler.

Schematische Darstellung des doppelseitigen Aufbaus: der obere Kühler wird im System auf die Oberseite des Chips gelötet wodurch die Entwärmung des Chips von beiden Seiten stattfindet.

Um den wachsenden Anforderungen im Bereich der Leistungselektronik gerecht zu werden, ist es nötig, den thermischen Widerstand zwischen Chip und Wärmesenke zu reduzieren, dies ermöglicht die „Chip-on-Heatsink“-Technologie.

„Chip-on-Heatsink“-Technologie: Dicke Kupfer-Leiterbahnen (150–300 µm) werden direkt
auf einen keramischen Kühlkörper aufgesintert.

Dabei entfallen thermische Interfaces entfallen. Der thermische Widerstand wird im Vergleich zu einer konventionellen Lösung, bei der ein Leistungsmodul auf einem flüssigkeitsdurchströmten Kühlkörper montiert wird, deutlich reduziert.

Optimale thermische Kopplung bei doppelseitiger Entwärmung

Presseveröffentlichung erschienen in Elektronikpraxis Juni 2016

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Doppelseitige Entwärmung mit Flüssigkühlung

Eine weitere, fortschrittliche Lösung basiert auf einem keramischen Flüssigkeitskühler, dem Multi-K. Er wird direkt metallisiert und die Chips darauf gelötet. Dadurch ist eine optimale thermische Anbindung des Leistungshalbleiters an das Kühlmedium und die elektrische Isolation durch Keramik gegeben. Klassische Entwärmungskonzepte führen die Verlustleistung nur von der Unterseite des Chips ab. Doch auch auf der Oberseite des Chips ist es möglich, einen Entwärmungspfad zu schaffen. Es wird ein weiterer keramischer Kühlkörper hinzugefügt, der die Verlustwärme des Chips zusätzlich von dessen Oberseite abführt. Dieser zweite Entwärmungspfad wirkt somit parallel zur konventionellen Entwärmung.
 

Video “Optimized Thermal Management with CeramCool® Sandwich Cooling” in englischer Sprache.

Dabei gilt es einiges zu beachten:

Über die Oberseite eines IGBTs oder MOSFETs fließt der gesamte Laststrom, welche daher großflächig elektrisch kontaktiert werden muss. Das verwendete Material muss also eine gute elektrische und thermische Leitfähigkeit aufweisen. Zwischen den Leiterbahnen des oberen und unteren Kühlers ist außerdem ein Mindestabstand erforderlich. Zum einen, weil das Gate kontaktiert werden muss. Zum anderen ist es nötig, eine Vergussmasse mit hoher Durchschlagsspannung zwischen der oberen und der unteren Leiterebene einzubringen, um die Isolationsspannung zu gewährleisten. Aufgrund seiner Adhäsions- und Viskositätswerte erfordert die Vergussmasse jedoch eine bestimmte Spaltbreite. Ein weiterer Aspekt ist der thermische Ausdehnungskoeffizient.

Keramikquader aus Aluminiumnitrid als Kernstück

Auf das Kupfer des oberen Kühlers wird der Wärmeableitquader aufgelegt und gemeinsam gesintert. Es entsteht ein Körper mit hoher elektrischer und thermischer Leitfähigkeit.

An der Oberseite des Chips besteht die gleiche Problematik wie auf seiner Unterseite. Es wird eine Lösung benötigt, mit einem Ausdehnungskoeffizient (coefficient of thermal expansion, CTE) möglichst nahe dem von Halbleitermaterialien. Ein Metall/Keramik-Verbund, wie er bereits in Form einer DCB als Leiterplatte verwendet wird, ist dieser Herausforderung gewachsen. Für den Keramikquader wurde Aluminiumnitrid gewählt, welche mit ca. 180 W/mK eine sehr gute Wärmeleitfähigkeit aufweist. In analoger Form kann auch ein Keramikquader mit Metall, bevorzugt mit Kupfer, verbunden werden. In den Quader werden Löcher eingebracht. Mit Kupferpaste gefüllt, entstehen Vias. Ist die Ober- und Unterseite des Quaders vollflächig mit Kupferpaste bedruckt, lassen sich die Vias untereinander verbinden. Auch die Außenseiten dieses Quaders können mit Kupferpaste bedruckt werden.

Aufgrund seiner physikalischen Eigenschaften liegt der thermische Ausdehnungskoeffizient des Quaders mit 4,5 ppm/K sehr nahe am Silizium (2,6 ppm/K) oder Siliziumkarbid (4,7 ppm/K). Er kann aufgrund seines angepassten CTEs problemlos auf die Oberseite des Chips aufgelötet, oder, bei geeigneter Vorbehandlung, auch mit Silber aufgesintert werden. Der Quader ist sowohl elektrisch als auch thermisch gut leitfähig.

Auf das Kupfer dieses oberen Kühlers wird dann der Wärmeableitquader aufgelegt und gemeinsam gesintert. Somit entsteht ein Körper, welcher sowohl eine hohe thermische wie auch elektrische Leitfähigkeit besitzt.

Erste Untersuchungen zeigen, dass sich durch den zweiten Entwärmungspfad der Gesamtwert
des thermischen Widerstandes um bis zu 40 Prozent verbessern lässt.

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