Mit Keramik gut gekühlt

Keramik ? Zum Engineering gehört Werkstoff. Für thermisch sensible Komponenten ist jetzt eine neue Keramik auf dem Markt. Als Kühlkörper »schreit er nach Leistungsspitzen«, sagen die Entwickler.

14. November 2007

Hitzeempfindliche Halbleiter-Komponenten werden häufig auf Substraten montiert, die elektrische Isolierung und gleichzeitig ausreichende Wärmeableitung bringen müssen. Meist entstehen »Sandwiches « aus unterschiedlichsten Materialien, wobei jede Schicht eine zusätzliche Hürde für ideale Wärmeableitung bedeutet. Mit CeramCool wird das Substrat selbst zum Kühlkörper. Eine enorme Vereinfachung. Am Beispiel einer High-Power-LED lässt sich der Unterschied zwischen der aktuellen vielschichtigen Bauweise und der in Zukunft durch CeramCool vereinfachten und verkleinerten Bauform gut darstellen.

Der Kühlkörper als Schaltungsträger ? die neue Kompaktheit

CeramCool kann mit Dick- oder Dünnfilmprozessen wie herkömmliche keramische Substrate direkt beschichtet werden. Damit wird die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers voll als Schaltungsträger nutzbar ? natürlich zuverlässig elektrisch isoliert. So hat zum Beispiel eine High-Power-LED an ihrem Gehäuse neben den elektrischen Anschlüssen meist eine metallische Fläche, über die Wärme zuverlässig abgeführt werden muss. Diese Fläche kann nun direkt mit gezielt auf dem CeramCool aufgebrachten Metallisierungspads durch Löten zuverlässig mit dem Kühlkörper verbunden werden. Kompromisse wie Klemmen oder Kleben der High- Power-LED entfallen.

Vereinfachung und Miniaturisierung

Bisher wird eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien für den Gesamtaufbau verwendet, was gleichzeitig zahlreiche Fertigungsschritte bedeutet. Eine mögliche Vereinfachung mit CeramCool ist, den mit Leiterbahnen bedruckten Kühlkörper wie eine Platine zu bestücken und in einem Reflow-Prozess zu einem funktionierenden Gesamtaufbau werden zu lassen. Die Vereinfachung kann soweit gehen, dass man den Chip direkt auf dafür vorgesehene metallische Oberflächen des CeramCool bonded. Chip on Heatsink! Kompakt und einfach. CeramCool lässt sich mit erprobten Verfahren wie Dünn- und Dickschichttechnologie weiterverarbeiten. Keine neuen Fertigungsverfahren und Technologien sind notwendig. Qualifizierte Prozesse und Materialien, die sich bereits seit Jahrzehnten in Hightech-Anwendungen der Powerelektronik oder in der Flugzeug- und Automobilindustrie bewähren, können eingesetzt werden. Bei fachgerechter Montage erweist sich die Keramik als ausgesprochen stabil und gut mechanisch belastbar.

Thermisches Management

CeramCool besteht aus den bewährten keramischen Werkstoff en Rubalit 708, Rubalit 710 oder Alunit. Diese Werkstoff e besitzen einen an Halbleitermaterialien angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, hervorragende elektrische Kenngrößen und sind gleichzeitig korrosionsbeständig. Die vereinfachte Bauweise (ohne Kleber, Isolationsschichten etc.) in Kombination mit einer direkten und dauerhaften Verbindung von High-Power-LED und CeramCool schaff t optimierte Betriebsbedingungen für den gesamten Aufbau. Vereinfacht ausgedrückt: Was nicht da ist, kann auch nicht altern, und Materialien, die sich in gleichem Maß ausdehnen, lösen sich nicht voneinander. Das Ergebnis sind sehr gute Langzeitstabilität, sicheres thermisches Management und hohe Zuverlässigkeit. Die Lebensdauer steigt.

Warmer Kühlkörper ? kühle LED

Das Fraunhofer-Institut Nürnberg verglich zwei Kühlkörper gleicher Geometrie bezüglich ihrer Oberflächentemperatur: Marktübliches Aluminium mit geklebtem Chip versus CeramCool aus Rubalit oder Alunit mit Metallisierungspad und gelötetem LED. Die Kontrastbilder verdeutlichen das Wesentliche, wenn auch nicht unbedingt auf den ersten Blick: Der Aluminiumkühlkörper bleibt relativ kalt, aber der Chip erreicht eine Maximaltemperatur von 160 °C. Die für den Aluminiumaufbau notwendige Kleberschicht bremst die Wärmeabfuhr total aus. Der keramische Kühlkörper hingegen 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 CeramCool dauerhaft und zuverlässig verbunden. Das Resultat ist überzeugend: Die Maximaltemperatur am Chip ist halb so hoch wie beim Aluminiumaufbau: Nur 79 °C werden erreicht. Genau hier muss man weiter denken. Wenn der Kühlkörper warm wird entlastet, er die LED. Genau dann macht er seine Arbeit indem er die kritische Komponente kühlt. Dass bei CeramCool die Wärmequelle ihre Wärme ohne Barriere schnell an den keramischen Kühlkörper abgeben kann, zeigt auch eine weitere Grafik. Beim Einschalten schnellt die Chiptemperatur sofort hoch. Nach 0,1 Sekunde erreicht sie aber bei CeramCool nur 45 °C rund 60 °C beim konventionellen Aufbau mit Aluminiumkühlkörper. Das keramische System arbeitet deutlich dynamischer, das Aluminiumsystem mit Verzögerung. Fazit: CeramCool arbeitet. Er wird warm und kühlt die LED.

Doppelte Designfreiheit

Besonders wichtig ist die doppelte Designfreiheit von und mit CeramCool: Der Kühlkörper kann nach Kundenspezifikationen gefertigt werden. Völlig individuelle Formen sind möglich. Auch in anderer Hinsicht werden neue Designs möglich. Denn durch die vereinfachte Bauweise, die Möglichkeit den Kühlkörper als Schaltungsträger zu nutzen und das zuverlässige Thermomanagement wird eine starke Miniaturisierung erzielt. Eine gute Basis, um sich im Markt klar zu differenzieren. Dank der umfangreichen Werkstoffpalette von Ceram- Tec sind kundenspezifische Produkte möglich. »Der Werkstoff kann mit oder ohne Metallisierungen geliefert werden«, versprechen die Keramik-Entwickler.

Astrid Weiss/ps

Fakten

¦CeramCool kann mit Dick- oder Dünnfilmprozessen wie herkömmliche keramische Substrate direkt beschichtet werden.

¦ Die gesamte Oberfl äche des Kühlkörpers wird voll als Schaltungsträger nutzbar.

¦ Kompromisse wie Klemmen oder Kleben der High-Power-LED entfallen.

Erschienen in Ausgabe: 08/2007