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IMS statt PCB

Optimale Entwärmung von GaN-Bauelementen auf Systemebene

29. Mai 2017, 11:27 Uhr | Von Ph.D. Dr. Lyubov Yushyna

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Fortsetzung des Artikels von Teil 1

Eigenschaften der Substrate

Die wichtigsten Eigensachften der zuvor genannten Substrate:

PCB-Material (meist FR4) besitzt eine sehr geringe Wärmeleitfähigkeit von 0,3 W/m∙K bei einer Dicke von 1,6 mm (bzw. einen hohen Wärmewiderstand), was schlechte Kühleigenschaften ergibt. Verbessern lassen sich die thermischen Eigenschaften eines mehrlagigen PCB mit Hilfe von Thermal Vias, die die Wärme von einem oberflächenmontierten Bauelement an die andere Seite der Leiterplatte abtransportieren.
Die Verbindung des Kühlkörpers mit dem PCB erfolgt durch ein dielektrisches Wärmeleitmaterial (Thermal Interface Material, TIM). Der Gesamt-Wärmewiderstand hängt dann von der Struktur des PCB, der Wärmeleitfähigkeit und Dicke des gewählten TIM, dem Luftstrom sowie dem verwendeten Kühlkörper ab. Für die Verwendung eines PCB sprechen die niedrigen Kosten und die einfache Fertigung.
Ein IMS besteht aus einer kupfernen Verbindungsschicht, einer dielektrischen Schicht und einer Metallbasis. Die dielektrische Schicht hat eine Stärke zwischen 0,04 und 0,1 mm. Die Metallbasis besteht meist aus Aluminium, was die Wärmeabfuhr begünstigt und die Kühlwirkung im Systemzusammenhang verbessert.
Die Wärmeleitfähigkeit des IMS liegt abhängig von den thermischen Eigenschaften des dielektrischen Materials zwischen 3 und 7 W/m∙K. Wärmeleitpaste oder Phasenübergangs-Material wird häufig zwischen dem IMS und dem Systemkühlkörper aufgebracht. Hierdurch kommt allerdings eine weitere Grenzschicht hinzu, die es bei der Auslegung des Systems zu berücksichtigen gilt.
Keramikbasiertes DBC wird üblicherweise in Leistungsmodulen verwendet und gilt als das Substrat mit der besten thermischen Leitfähigkeit und Ausdehnungsfähigkeit.

Wie der Fachliteratur zu entnehmen ist, verbessern sich die thermischen Eigenschaften von Bauelementen durch die Verwendung eines IMS anstelle eines PCB um ein Mehrfaches [1], [2], [3]. Hilfestellung beim Vergleich verschiedener IMS-Strukturen und der Auswahl der optimalen Befestigungslösung kann die Finite-Elemente-Methode (FEM) leisten.

Die Bedeutung dieses Verfahrens für thermische Berechnungen wurde in [2] betont. IMS sind von verschiedenen Herstellern [4], [5] allgemein verfügbar. Allerdings muss bei der Auswahl des IMS das Zusammenspiel zwischen den Kosten und den thermischen und elektrischen Eigenschaften beachtet werden.

Nachfolgend geht es um das Design, die Analyse und die Ergebnisse bei der Verwendung eines IMS in einem GaN-basierten Leistungselektronik-System. Ziel ist es, die mit GaN möglichen Leistungsmerkmale in einem System zu realisieren, das außerdem herausragende thermische Eigenschaften aufweisen soll.