Fügekonzepte für Elektronikmodule IC-Module mit Kühlkörpern verbinden

Um die Temperaturen in der Umgebung von Leistungschips möglichst gering zu halten, ist eine gute thermische Anbindung der Schaltungsträger an den Kühlkörper unumgänglich. Was sind die Anforderungen an ein solches Fügekonzept für künftige Leistungselektronik?

Durch den vermehrten Einsatz von Leistungselektronik für E-Mobilität liegt der Fokus heutiger Forschung mehr denn je in der Optimierung und Weiterentwicklung elektronischer Leistungsmodule. Für viele Anwendungen in diesem Bereich ist es notwendig, die aus der Verlustleistung beim Schalten entstehende Wärme möglichst schnell abzuführen und hohe Temperaturen an den Chips und deren Kontaktierungen zu vermeiden. In solchen Fällen erweist sich eine direkte Anbindung der Schaltungsträger an den Kühlkörper als effiziente Lösung [1].

Bild 1 zeigt die über eine Simulation berechneten Beiträge der einzelnen Bestandteile eines Leistungsmoduls am thermischen Widerstand des Gesamtsystems Rth(sys). Darin ist zu erkennen, dass der bisherige Stand der Technik, die Anbindung an den Kühler über eine Wärmeleitpaste zu erzeugen, die größte thermische Barriere erzeugt und zu einem erhöhten Wärmestau im gesamten Modul führt.

In den folgenden Abschnitten soll die Auswahl eines Fügekonzeptes für die direkte Anbindung isolierender Schaltungsträger von Leistungsmodulen an Cu-Kühlkörper erarbeitet werden. Dabei soll insbesondere auf die speziellen Anforderungen einer dafür geeigneten Fügetechnik im Hinblick auf kommende Generationen von Leistungselektronik auf SiC-Basis mit Einsatztemperaturen um 200 °C eingegangen werden. Abschließend werden einige Beispiele möglicher Fügekonzepte genannt und über eine qualitative Betrachtung vorbewertet. Bild 2 stellt den Aufbau der hier behandelten Leistungselektronik schematisch dar und erläutert die verwendeten Begriffe.