Clevere Entwärmung Kühlkörper als Schaltungsträger

Immer dann, wenn thermisch sensible Komponenten wie High-Power-LEDs vor Hitzeschäden geschützt werden müssen, muss man als Systementwickler geeignete Kühlmaßnahmen in der Planung mit vorsehen. Keramische Kühlkörper sind dabei eine interessante Alternative, da sie bezüglich Wärmeleitfähigkeit, Kompaktheit und Stabilität nicht nur mit bewährten Lösungen gleichziehen, sondern noch kompaktere Lösungen möglich machen.

Hitzeempfindliche Halbleiter-Komponenten werden häufig auf Substraten montiert, die für elektrische Isolierung und gleichzeitig für ausreichende Wärmeableitung sorgen müssen. Meist entstehen „Sandwiches“ aus unterschiedlichsten Materialien, wobei jede Schicht eine weitere Hürde für eine ideale Wärmeableitung bedeutet. Mit CeramCool von CeramTec wird das Substrat selbst zum Kühlkörper, denn es kann – wie herkömmliche keramische Substrate – mit Dick- oder Dünnschicht-Prozessen direkt beschichtet werden. Damit wird die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers als Schaltungsträger nutzbar – und zwar zuverlässig elektrisch isoliert.

Eine High-Power-LED etwa hat an ihrem Gehäuse neben den elektrischen Anschlüssen meist eine metallische Fläche, über die Wärme zuverlässig abgeführt werden muss. Diese Fläche kann nun durch Löten – mit gezielt auf dem CeramCool aufgebrachten Metallisierungspads (Bild 1) – direkt mit dem Kühlkörper verbunden werden. Kompromisse wie Klemmen oder Kleben der High-Power-LED entfallen.

Exzellentes thermisches Management – hohe Lebensdauer

CeramCool besteht aus den keramischen Werkstoffen Rubalit 708, Rubalit 710 oder Alunit. Diese Werkstoffe haben einen an Halbleiter gut angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, gute elektrische Kenngrößen und sind gleichzeitig korrosionsbeständig. Die vereinfachte Bauweise (ohne Kleber, Isolationsschichten etc.) in Kombination mit einer direkten und dauerhaften Verbindung von der High-Power-LED und dem CeramCool schafft optimierte Betriebsbedingungen für den gesamten Aufbau. Das Ergebnis sind eine sehr gute Langzeitstabilität, ein sicheres thermisches Management sowie eine hohe Zuverlässigkeit. Folge: Die Lebensdauer steigt.

Warmer Kühlkörper – kühle LED

Das Fraunhofer-Institut Nürnberg verglich zwei Kühlkörper gleicher Geometrie bezüglich ihrer Oberflächentemperatur: Marktübliches Aluminium mit geklebtem Chip im Vergleich mit CeramCool aus Rubalit oder Alunit mit Metallisierungspad und gelötetem LED. Die Kontrastbilder (Bild 2) 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. Der keramische Kühlkörper hingegen wird warm und leitet die entstehende Wärme großflächig über seine Oberfläche ab. Der Grund dafür ist simpel: Der Chip ist nur über Metalle mit dem elektrisch isolierenden CeramCool dauerhaft und zuverlässig verbunden. Das führt dazu, dass die Maximaltemperatur am Chip halb so hoch ist wie beim Aluminiumaufbau: 79 °C werden erreicht.

Die Kühlkörper CeramCool gibt es mit oder ohne Metallisierungen in verschiedensten Größen und Ausführungen. Dadurch werden neue Designs möglich. Denn durch die vereinfachte Bauweise (die Möglichkeit, den Kühlkörper als Schaltungsträger zu nutzen) und das zuverlässige Thermomanagement kann der Entwickler seine Systeme noch kompakter als bisher gestalten.