Entwärmungskonzepte Chips direkt flüssiggekühlt

Kühlkörper optimieren

Im Folgenden wollen wir anhand eines auf der oberen Seite metallisierten Keramikkühlers für eine Halbbrücke darstellen, wie dieser sukzessiv optimiert wurde. Ausgangspunkt war ein Keramikkühler aus AlN mit aktivgelötetem, 300 µm dickem Kupfer, auf das die SiC-Chips mittels Ag-Sintern aufgebracht wurden (Bild 4). Als Kühlflüssigkeit dient ein Wasser-Glykol-Gemisch 50/50. Wir betrachten nun die Temperaturdifferenz zwischen Chip und Kühlmedium. Mit ihr sind alle thermischen Schnittstellen abgebildet, sodass das Ergebnis als praxisnah gelten kann. Der Einfachheit halber haben wir für die größeren Chips eine Fläche von 1 cm² gewählt. Somit ist der Wert von Rth gleich dem von R’th.

In der ersten Optimierungsrunde wurden unter den Chips gezielte Verwirbelungen erzeugt, indem eine wellenartige Struktur sowie Strukturen zur Homogenisierung der Strömung auf der Oberseite der unteren Lage eingebracht wurden. Es entstand ein sogenanntes Tropfendesign (links in Bild 5). Damit stieg die Kühlleistung bereits signifikant.

Im nächsten Schritt wurden die Ein- bzw. Auslassbereiche verbessert. Den größten Gewinn für die weitere Reduzierung der Chiptemperatur brachte der Wegfall der seitlichen Tropfen, denn diese homogenisierten das Durchströmungsverhalten nicht wie gewünscht, sondern erwiesen sich als kontraproduktiv (rote bzw. grüne Bereiche im Bild 5). Die folgenden Veränderungen an Struktur und Anzahl der Finnen unter dem Chip vergrößerten die effektive Oberfläche zwischen Kühler und Kühlflüssigkeit, sodass die Chiptemperatur weiter sank.

Damit hat sich gezeigt, dass mit diesen Veränderungen der thermische Widerstand im Vergleich zu einem einfachen Kühler ohne Innenstruktur deutlich gesenkt werden kann. Durch geschickte Auslegung der Strukturen steigt der Strömungswiderstand dadurch nur geringfügig (Bild 6).

Die in der Simulation optimierte Innenstruktur des Kühlers sollte natürlich auch der Realität standhalten, weswegen der Kühler aufgebaut und vermessen wurde. Beim Vergleich von Simulation und Kühler schneidet die reale Messung um ca. 12 % schlechter ab (Bild 7). Dies ist ein sehr guter Wert angesichts der relativ schwierigen exakten Messungen von ΔT und ΔP. 

 

Weiter optimiert 

Die in diesem Prozess gefundene und verifizierte Innenstruktur bot noch Potenzial, da der Druckverlust mit 0,08 bar moderat ausfällt. Im nächsten Schritt untersuchten wir deshalb die Druck/Durchfluss-Kennlinie sowie den Temperaturunterschied ΔT per Simulation bei verschiedenen Arbeitspunkten. Ebenso ermittelten wir den Einfluss des Durchströmungsquerschnittes auf den Druckverlust und die Entwärmungsleistung. Dabei betrachteten wir nicht die durchschnittliche Chiptemperatur, sondern die maximale Chiptemperatur in dessen Mitte, was praxisnäher ist. Bei einer Kühlmitteltemperatur von +110 °C und einer maximal zulässigen Chiptemperatur von +175 °C ergibt sich ein ΔT von 65 K. Daraus ermitteln sich grafisch aus Bild 8 die Durchflussmenge mit etwa 1,1 l/min und ein Druckverlust von ungefähr 0,21 bar.

Als weitere Variationsmöglichkeit betrachteten wir, wie der Querschnitt des Strömungskanals den Druckverlust und die Entwärmungsleistung beeinflusst. Dazu legten wir den Druckverlust mit konstant 0,17 bar fest, der zu dem gewünschten, maximal zulässigen Druckverlust im Automotive-Bereich noch eine Reserve lässt. Dann veränderten wir die lichte Höhe des Strömungskanals und damit die Gesamthöhe des Kühlers in Schritten von 0,1 mm und ermittelten jeweils den Temperaturunterschied ΔT des Chips zur mittleren Kühlmitteltemperatur sowie die Durchflussrate.

Das Ergebnis ist zunächst überraschend (Bild 9). Während die Durchflussmenge zunächst mit sich veränderndem Querschnitt überproportional ansteigt, um dann linear mit dem Querschnitt anzusteigen, ergibt sich bei der Entwärmung ein anderes Bild. Betrachtet man den Temperaturunterschied zwischen Chip und der Kühlflüssigkeit (blaue Linie), aus dem sich der R‘th bzw. der Rth ermitteln lässt, so zeigt sich, dass bei kleinem Querschnitt die beste Entwärmung erzielt wird. Jedoch ist hier noch nicht die Erwärmung der Kühlflüssigkeit berücksichtigt.

Mit zunehmendem Querschnitt steigt zwar die Flüssigkeitsmenge an, sodass diese im Kühler weniger erwärmt wird. Dadurch verbessert sich die Wärmeabfuhr zunächst aber nur bedingt. Die Chiptemperatur steigt zunächst an, um dann bei noch größeren Querschnitten wieder zu sinken (braune Linie, Einlasstemperatur des Kühlliquids ist +25 °C). Dies ist der hohen spezifischen Wärmekapazität des Kühlmittels geschuldet.

Dass bei niedrigen Durchflussraten die Kühlung besser ist, liegt vermutlich daran, dass bei geringeren Querschnitten die durch die dreidimensionale Innenstruktur erzeugten Verwirbelungen stark wirken, den Wärmeübergangskoeffizienten α also erhöhen. Bei höheren Querschnitten treten diese Verwirbelungen zunehmend in den Hintergrund. Dies lässt sich auch an der Nichtlinearität der Druck/Durchfluss-Kennlinie bei niedrigen Querschnitten des Strömungskanals erkennen.

Die Kurven zeigen, wie sich in Kühler nach den Vorgaben optimieren lässt. Die gewählte Geometrie ist dabei nur ein Beispiel. Eine andere Struktur, ebenfalls für eine Halbbrücke, zeigt die Simulation in Bild 10. Da sich »grüne«, also ungesinterte, Keramik strukturieren und gemeinsam versintern lassen, bieten sich eine Vielzahl von Möglichkeiten, den jeweiligen Anforderungen gerecht zu werden.