CeramCool® Prinzip und Funktion

Je höher die Leistungsdichte, je effizienter das keramische Kühlsystem

Chip-on-Heatsink auf der metallisierten Oberfläche von CeramCool® Kühlkörpern ermöglicht einen äußert kompakten Aufbau des gesamten Kühlsystems. Das Kühlkörper-Material Keramik sorgt für ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit und elektrische Isolation, je näher es an der Hitzequelle angesetzt wird, desto größer ist der Entwärmungsvorteil.

Wärmeempfindliche Halbleiterkomponenten werden häufig auf herkömmlichen Substraten montiert. Diese müssen elektrische Isolierung, aber gleichzeitig auch eine angemessene Wärmeleitfähigkeit bieten. Das Ergebnis ist oft eine „Sandwich-Komponente” mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien. Jede Schicht birgt dabei individuelle Risiken und beeinträchtigt die Wärmeleitfähigkeit. Mit CeramCool® dagegen ist das Substrat selbst bereits der Kühlkörper, denn hier kommt Hochleistungskeramik in Form von Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid zum Einsatz.

Chip-on-Heatsink Technology

Powermodule with Chip-on-Heatsink
Zth = 0.268 k/W*

 
* Examination done by Fraunhofer IISB, Nuremberg

Conventional

Conventional structure of a Powermodule:
Zth = 0.55 k/W*

 
* Examination done by Fraunhofer IISB, Nuremberg

Keramik kombiniert zwei wichtige Eigenschaften: elektrische Isolierung und thermische Leitfähigkeit. Sie bietet eine gute elektromagnetische Verträglichkeit und verfügt über einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nahezu dem von Halbleitermaterialien entspricht. Im Gegensatz zu anderen Materialien sind Ausdehnungskoeffizient und thermische Leitfähigkeit bei Keramik jedoch in allen Richtungen gleich. Darüber hinaus ist Keramik wasserdicht sowie UV- und korrosionsbeständig.

Die vereinfachte Konstruktion, kombiniert mit dem direkten und dauerhaften Bonding zwischen wärmekritischer Elektronikkomponente und CeramCool® Oberfläche – Chip-on-Heatsink – schafft ideale Betriebsbedingungen.

Gut zu wissen:

CeramCool® Chip-on-Heatsink

CeramTec hat mit Chip-on-Heatsink ein revolutionäres Verfahren entwickelt, um eine Wärmequelle, wie eine LED oder einen Leistungshalbleiter, direkt auf eine metallisierte Wärmesenke per Löten oder Ag-Sintern zu montieren. Dadurch wird eine optimale thermische Ankopplung an das Kühlmedium (Luft oder Flüssigkeit) erreicht.

CeramCool® Materialien

Mit den keramischen Werkstoffen Rubalit® Aluminiumoxid (Al2O3) und Alunit® Aluminiumnitrid (AlN) stehen zwei seit vielen Jahren in der Elektronikindustrie bewährte Materialien von CeramTec für die Fertigung von CeramCool® Kühlkörper zur Verfügung.

CeramCool® Rubalit® Al2O3 Alunit® AlN
Linear-1K
Multi-K
Wabenkühler
Boxkühler
Kühldose
Finnenkühler
Materialeigenschaften Einheit Rubalit® 708S Rubalit® 710 Alunit®
Materialklasse
DIN VDE 0335 		C795 96% Al2O3 C799 99,6% Al2O3 AlN
Oberflächenrauheit Ra μm ≤ 0,8 ≤ 0,1 ≤ 0,6
Wasserabsorptionsvermögen % ≤ 0,1 ≤ 0,1 ≤ 0,1
Biegefestigkeit [S0]
Dual-Ring-Verfahren 0,63 mm
Substratdicke 		MPa ≥ 450 ≥ 420 ≥ 320
Thermische Leitfähigkeit 20°C W/mK ≥ 22 ≥ 26 ≥ 170
Durchbruchspannung KV/mm ≥ 15 ≥ 15 ≥ 15
Durchgangswiderstand 20°C Ohm x cm ≥ 1013 ≥ 1013 ≥ 1012
Dichte g/cm3 ≥ 3,73 ≥ 3,86 ≥ 3,23

CeramCool® Leistungsvergleich Flüssigkeitskühlung

Um die Leistungsfähigkeit des CeramCool® Prinzips bei flüssigkeitsgekühlten Systemen zu belegen, wurde ein direkt metallisierter Kühlkörper (Chip-on-Heatsink) mit einem konventionellen Flüssigkeitskühler mit aufgelötetem DCB verglichen. Dazu wurden auf einem Messstand die IGBTs beider Kühllösungen bis zum Erreichen einer konstanten Temperatur mit dem gleichen Laststrom beaufschlagt. Im Anschluß wurde die Abkühlkurve gemessen. Das Ergebnis: bei gleicher zugeführter Leistung beträgt ΔT – und damit der thermische Widerstand – im CeramCool® Systemaufbau nur die Hälfte des Wertes, der in einem herkömmlich aufgebauten Kühlsystem erzielt wird.

Comparison: Chip-on-Heatsink/Conventional structure of a Powermodule (Pin = 100 W)
 

CeramCool® Liquid Cooling ist damit eines der effizientesten und zuverlässigsten Flüssigkühlsysteme auf dem Markt. Kein anderes Konzept erreicht die gleiche Kühlleistung bei gleicher Langlebigkeit. Der keramische Kühlkörper ist perfekt elektrisch isolierend und inert. Er kann auf allen Seiten direkt mit elektrischen Leiterbahnen versehen und mit Hochleistungskomponenten bestückt werden, ohne thermische Barrieren zu bilden. Die Effizienz dieses keramischen Systems steigt mit der Leistungsdichte.

CeramCool® Leistungsvergleich Luftkühlung

Um die Leistungsfähigkeit des CeramCool® Prinzips bei luftgekühlten Systemen zu belegen, wurde ein Finnen-Kühlkörper für die 4W-Entwärmung optimiert und diente als Vergleichsbasis. Das Ergebnis: der thermische Gesamtwiderstand des keramischen Rubalit® Aufbaus ist mindestens 13% besser als bei einer Aluminium-Baugruppe identischer Bauform. Bei Verwendung von Alunit® erreicht die Mindestverbesserung von CeramCool® sogar 31%.

CeramCool®-Geometrie für 4-W-Kühlung. Mit Rubalit® ist der Gesamtwärmewiderstand Rtt der Baugruppe gegenüber Aluminium um mindestens 13% besser, mit Alunit® sogar um 31%!
 

Rubalit®
13% bessere Leistung
Rtt= 11.0 K/W
Max. Temp. Heat slug 59,7°C

Alunit®
31% bessere Leistung
Rtt= 8.7 K/W
Max. Temp. Heat slug 51,3°C
 

Aluminium und PCB
Rtt= 12.7 K/W
Max. Temp. Heat slug 65,9°C

Für Anwendungen mit weniger extremen Leistungsdichten, etwa bei LED-Modulen oder in der CPV-Photovoltaik mit geringen Konzentrationsfaktoren, haben sich luftgekühlte CeramCool® Finnenkühlköper bereits bestens bewährt.

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