Kühlung extrem Keramikkühlkörper für LED-Arrays

Hochleistungs-LED-Arrays
Hochleistungs-LED-Arrays

Eine neue Kombination, bestehend aus Alunitkeramik und innovativer Flüssigkühlung, ermöglicht die Realisierung extrem kompakter Leistungselektronik-Module. LED-Arrays bis 100 W/cm² und 30.000 lm auf einer Grundfläche von 40 mm × 40 mm sind möglich. Angesichts dieser Packungsdichte entstehen kritische Wärmenester, die nur dann wirksam gekühlt werden, wenn dabei der gesamte thermische Pfad - von der LED-Montage bis zum keramischen Kühlkörper - optimiert worden ist.

Durch ihre steigende Lichtleistung werden Hochleistungs- LEDs für neue Anwendungen interessant - sei es in der Medizintechnik, in der industriellen Bildverarbeitung oder bei der UV-Härtung von Klebstoffen. Um großflächige Objekte belichten zu können, müssen hunderte Power-LED-Chips auf engstem Raum zusammengebracht werden. Dies hat zur Folge, dass thermische Probleme verstärkt in den Vordergrund treten. Obendrein werden, insbesondere im UV-Bereich, hohe Anforderungen an die Konstanz optischer Parameter wie Wellenlänge, Farbort, Flussspannung und Lichtleistung gestellt. Zeitliche Temperaturänderungen oder gar eine stark inhomogene Temperaturverteilung über das Leistungsmodul sind inakzeptabel.

Dieser Problematik stellte sich ein Projektverbund unter dem Förderträger VDI/VDE-IT Bayern und entwickelte kompakte LED-Module mit hoher Packungsdichte und Leistung. Die Entwicklungspartner bilden mit ihrem Know-how den gesamten Prozess ab - vom Design über die Herstellung bis zur Charakterisierung und Verifizierung:

  • Der Geschäftsbereich Elektronik der CeramTec GmbH lieferte neuartige Wasserkühler aus Aluminiumnitrid (AlN).
  • Das Fraunhofer IZM in Oberpfaffenhofen legte die Kühlung thermisch und fluidisch aus.
  • Das Fraunhofer IZM in Berlin bestückte den keramischen Kühlkörper unter Einsatz neuer Verbindungstechniken mit LEDs.
  • Die Excelitas Technologies GmbH & Co. KG (ehem. PerkinElmer Elcos) in Pfaffenhofen fertigte abschließend das funktionsfähige LED-Modul mit optischem Verguss und elektrischen sowie fluidischen Schnittstellen.

Zur bedeutenden Leistungssteigerung der neuen Kühlmodule trugen unter anderem mehrere Entwicklungsarbeiten maßgeblich bei. So wurde zum Beispiel der übliche thermische Flaschenhals geklebter Komponenten durch die Entwicklung neuer Chipmontagetechniken umgangen. Es kamen dabei Sinterprozesse zum Einsatz, die für die direkte Montage der LEDs auf keramische AlN-Kühler optimiert worden sind. Metallisierte Alunitkeramik bietet sich an, da man mit ihr eine effiziente Wärmekopplung zwischen Chip und Kühlmedium sicherstellen kann.

Ein weiterer Schwerpunkt lag auf der Entwicklung des speziellen thermischen Managements mit gleichmäßiger Temperaturverteilung über das gesamte Modul hinweg. Erschwerend mussten dabei noch Aspekte wie Skalierbarkeit in jede Richtung und einfache Handhabung berücksichtigt werden. Die aus dem Projekt entstandene CeramCool-Box erlaubt zudem eine schnelle Anpassung der Belichtung an den jeweiligen Anwendungsbedarf, und dies ohne aufwendige Optiken.

Mit 40 mm Kantenlänge für 1.600 W Kühlleistung ausgelegt

Die kompakte CeramCool-Box zielt auf die homogene und effiziente Entwärmung von Packungsdichten bis 100 W/cm². Mit nur 40 × 40 mm² Kantenlänge und 16 mm Höhe können maximal 1.600 W Gesamtleistung gekühlt werden, bei einem Wirkungsgrad von 25 % entspricht das 400 W optischer Leistung. Die verbleibenden 1.200 W müssen als thermische Leistung effizient abgeführt werden.

Aus dieser Rahmenbedingung erwächst eine Herkules-Aufgabe, die bereits bei der Wärmeübertragung vom Bauteil auf das Trägersubstrat beginnt. Leistungsdichten in dieser Größenordnung stellen konventionelle Klebetechniken für den Die-Bond in Frage, zumal hochgefüllte Ag-Leitkleber wenig mehr als 1 W/mK Wärmeleitfähigkeit aufweisen. Bereits hier entsteht also ein Bottleneck für effiziente Kühlung. Variiert auch noch die Schichtdicke des Klebstoffs, kann kein noch so gutes Kühlkonzept die absoluten und relativen Temperaturen ausgleichen.

Diesen Engpass ging das Fraunhofer IZM Berlin mit neuen Löt- und Sintertechniken an, die darauf abzielten, dass man eine hervorragende thermische Kopplung zu einem metallisierten Alunitsub-strat am besten dadurch erzielen konnte, dass man sich als Kontaktfläche ebenfalls für eine metallische Verbindung mit geringem thermischen Widerstand entschied.

Für eine zuverlässige Haftung wurden unterschiedliche Kombinationen aus LEDs, gesinterten Metallen und dem Keramiksubstrat untersucht. Bevorzugt waren dabei Lösungsansätze, bei denen neben den elektrischen Leiterbahnen auch die Lote und Sinterpasten direkt auf den keramischen Hochleistungskühler aufgebracht und dauerhaft, ohne thermische Barrieren und ohne Delaminierungsrisiko (Differenz der thermischen Ausdehnungskoeffizienten), mit ihm verbunden werden. Der Chip konnte in diesem Falle unmittelbar auf den Heatsink gebonded werden. Des Weiteren entwickelte man Techniken zum kollektiven Bonden, mit denen man die Fertigungskosten trotz hoher Platziergenauigkeit deutlich reduzieren konnte.