Entwärmungskonzepte Chips direkt flüssiggekühlt

Steigende Leistungsdichten und sehr knapper Bauraum speziell bei Anwendungen im Bereich Hybrid- und Elektrofahrzeuge erfordern neue Entwärmungskonzepte. Bei einer neuartigen Lösung werden Mosfets und IGBTs direkt auf einem keramischen Kühlkörper aufgebracht, in dem zusätzlich Kühlflüssigkeit fließt.

Mosfets, IGBTs und andere Halbleiterchips steigen in ihrer Leistungsdichte kontinuierlich. Neue Halbleitermaterialien wie Siliziumkarbid bieten zwar eine geringere Verlustleistung, aber in der Praxis zeigt sich, dass höhere Lastströme und größere Packungsdichten den Vorteil schnell wieder zunichtemachen. Infolgedessen steigt die abzuführende Wärme pro Fläche weiter, sodass die thermischen Widerstände weiter sinken müssen.

Datenblätter nennen gerne den thermischen Widerstand Rth. Dieser ist jedoch nur die halbe Wahrheit, da er sich nur zwischen zwei äquithermalen Flächen sinnvoll angeben lässt. Normalerweise erfolgt der Wärmeeintrag jedoch konzentriert auf einem Punkt unterhalb des Halbleiters. Auch wenn sich die effektive Fläche durch Wärmespreitzung vergrößern lässt, kann man nicht von äquithermalen Platten ausgehen, da die Wärmeleitfähigkeit der hierfür verwendeten Materialien in der Praxis begrenzt ist. Der Rth hat seinen Charme, weil es sich leicht mit ihm rechnen lässt. Allerdings haben Berechnungen auf seiner Basis schon viele Halbleiter den Hitzetod sterben lassen. Der physikalisch sinnvollere Wert ist der flächenbezogene oder normierte thermische Widerstand R’th. Dieser errechnet sich aus dem Produkt aus Rth und Fläche und besitzt demzufolge die Einheit Kelvin pro Watt und Quadratzentimeter (K/(W·cm²)). Er berücksichtigt somit die effektive Fläche, die sich häufig nur näherungsweise ermitteln lässt.

Besonders bei Automotive-Anwendungen stehen die Miniaturisierung des Bauvolumens und die Systemkosten an oberster Stelle. Nach dem Motto »Vermeiden kommt vor Heilen« sind im ersten Schritt die Verluste des Halbleiters zu reduzieren. Die vor einiger Zeit eingeführten Wide-Bandgap-Halbleiter wie Galliumnitrid (GaN) oder Siliziumkarbid (SiC) bieten hier klare Vorteile gegenüber den klassischen Silizium-IGBTs durch den signifikant niedrigeren Durchlasswiderstand RDS(on). Im Vergleich zu IGBTs besitzen diese Komponenten eine deutlich kleinere Chipfläche und damit eine wesentlich geringere Rückwärtserhol- bzw. Sperrverzögerungsladung Qrr. Dadurch sinken die Schaltverluste. Dank des größeren Bandabstands erlauben diese Halbleiter zudem höhere Sperrschichttemperaturen.

Viele thermische Widerstände entfallen

Um das Bauvolumen weiter reduzieren zu können, ist der thermische Widerstand zwischen dem Chip und dem Kühler zu verringern, um damit die übertragene thermische Leistung Pth zu erhöhen. Das ist der Ansatz der Chip-on-Heatsink-Technologie von CeramTec. Die Ausgangsbasis ist ein keramischer Kühlkörper, durch den wegen der hohen Verlustleistung eine Kühlflüssigkeit strömt. Der keramische Kühlkörper ist einerseits thermisch gut leitfähig, isoliert gleichzeitig aber auch elektrisch. Auf diesen Kühlkörper werden nun drucktechnisch oder durch Aktivlöten Leiterbahnen aus Kupfer mit einer Höhe von 20 µm bis 1 mm aufgebracht. Der Chip wird auf die Leiterbahnen gelötet oder mit Silber aufgesintert. Bild 1 stellt den konventionellen Aufbau (links) dem neuen (rechts) gegenüber. Da viele der bisherigen thermischen Widerstände entfallen, sinkt der thermische Gesamtwiderstand deutlich.

Für den Kühler eignen sich zwei Keramiken, deren wichtigste Eigenschaften in Tabelle 1 aufgeführt sind. Aus rein technischer Sicht ist AlN aufgrund seiner signifikant höheren Wärmeleitfähigkeit die erste Wahl, die Kosten dagegen sprechen eher für Al2O3. Zum Vergleich: Metallisches Aluminium hat eine Wärmeleitfähigkeit von 205 W/(m·K).

ParameterAl2O3AlN
thermische Leitfähigkeit bei +20 °C in W/(m·K)24180
Spannungsfestigkeit λ in kV/mm1515
Wärmeausdehnungskoeffizient bei +20 °C bis +300 °C in ppm/K6,84,7
Preisniedrighoch

Tabelle 1: Physikalische Eigenschaften und Kostenbewertung verschiedener Substrate

Konventionelle Leistungsmodule nutzen häufig DCB-Substrate (Direct Copper Bonded). Dabei verbindet ein spezieller Hochtemperaturprozess Kupferfolie fest mit der Keramik. Prozessbedingt beträgt die Schichtdicke meist 200 µm oder 300 µm (bei Si3N4-Keramik auch dicker). Die Kupferpaste, die das Chip-on-Heatsink-Verfahren verwendet, enthält organische Bindemittel, um die rheologischen Parameter passend einzustellen. Diese werden vor dem eigentlichen Versintern der Metallpartikel bei einer niedrigeren Temperatur entbindert. Das Volumen, das diese Zusatzstoffe eingenommen hatte, ersetzt das Metall nur bedingt. Daher ist die entstandene Leiterbahn eher schwamm­artig und damit deutlich duktiler als eine Leiterbahn aus massivem Metall. Folglich sind die Kräfte, die bei thermischer Belastung zwischen Keramik und Leiterbahn auftreten, kleiner. Dies wiederum erhöht die Zuverlässigkeit und Lebensdauer signifikant.

Ein weiterer Vorteil der Drucktechnik ist der schichtweise Aufbau. So lassen sich neben hohen auch feine Leiterbahnen mit einer Strukturbreite von 200 µm realisieren. Um die Entflechtung zu erleichtern, sind mehrlagige Aufbauten sowie aufgedruckte Widerstände möglich. Als Alternative können die Leiterbahnen auch im AMB-Verfahren (Active Metall Bonding) mittels titanhaltigem Aktiv-Lot bei etwa +800 °C aufgelötet werden.

Die abgeführte Wärmemenge ΔQ ist direkt proportional zum Produkt aus der Masse m und der spezifischen Wärmekapazität c (ΔQ = m · c · Δt). Betrachtet man die gängigen Kühlmedien Luft und Wasser-Glykol-Gemisch (50/50), so erkennt man, dass das Wasser-Glykol-Gemisch nicht nur eine etwa 3,5-fach höhere spezifische Wärmekapazität besitzt, sondern vor allem eine zirka 750-fach höhere Dichte, lässt sich mit dieser Flüssigkeit wesentlich mehr Wärme abführen als mit Luft. In der Praxis ergeben sich bei erzwungener Konvektion Faktoren zwischen 10 und 200. Sinnvollerweise lassen sich hohe Leistungsdichten also nur mit Flüssigkeitskühlern erreichen.

Nachdem die Anzahl der thermischen Widerstände reduziert ist, muss man sich darauf konzentrieren, den Flüssigkeitskühler hinsichtlich des thermischen Widerstandes und der Druck/Durchfluss-Kennlinie zu optimieren. Dies ist bei Automotive-Anwendungen umso wichtiger, weil dort der maximal zulässige Druckverlust limitiert ist. Die Aufgabe besteht also darin, den Strömungswiderstand des Kühlers zu minimieren.

Daher wollen wir nun den thermischen Widerstand Rth von Flüssigkeitskühlern ermitteln, um den Kühler zu optimieren. In einem flüssigkeitsdurchströmten Kühler wird der Energietransport Pth zwischen der Wand und dem Fluid als Wärmeübergang bezeichnet. Er wird durch folgende Gleichung beschrieben:

Pth = α · A · (TW – TF).

Dabei sind α der Wärmeübergangskoeffizient, A die Kontaktfläche, TW die Temperatur der Wandfläche und TF die Temperatur des Fluids.

Somit sollten die Fläche A und der Wärmeübergangskoeffizient α möglichst hoch sein. Bei der Fläche A ist das noch rein konstruktiv lösbar. In die Betrachtung des Wertes α, der den Wärmetransport von der Wandung in die Flüssigkeit beschreibt, sind verschiedene Faktoren einzubeziehen. Neben der kinematischen Viskosität, die eine Materialkonstante ist, und der Oberflächenbeschaffenheit des Kühlkanals, ist die Strömungsgeschwindigkeit des Kühlmediums von großer Bedeutung. Sie bestimmt den Übergang von laminarer zu turbulenter Strömung.