CeramCool® Prinzip und Funktion

Je höher die Leistungsdichte, je effizienter das keramische Kühlsystem

Chip-on-Heatsink auf der metallisierten Oberfläche von CeramCool® Kühlkörpern ermöglicht einen äußert kompakten Aufbau des gesamten Kühlsystems. Das Kühlkörper-Material Keramik sorgt für ausgezeichnete thermische Leitfähigkeit und elektrische Isolation, je näher es an der Hitzequelle angesetzt wird, desto größer ist der Entwärmungsvorteil.

Wärmeempfindliche Halbleiterkomponenten werden häufig auf herkömmlichen Substraten montiert. Diese müssen elektrische Isolierung, aber gleichzeitig auch eine angemessene Wärmeleitfähigkeit bieten. Das Ergebnis ist oft eine „Sandwich-Komponente” mit mehreren Schichten aus unterschiedlichen Materialien. Jede Schicht birgt dabei individuelle Risiken und beeinträchtigt die Wärmeleitfähigkeit. Mit CeramCool® dagegen werden diese Schichten nicht benötigt, da das Substrat selbst bereits der Kühlkörper ist, denn hier kommt Hochleistungskeramik in Form von Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid zum Einsatz.

Konventionell
* Examination done by Fraunhofer IISB, Nuremberg

Konventioneller Aufbau eines Powermoduls: Zth = 0.55 k/W*

 

Chip-on-Heatsink Technologie
* Examination done by Fraunhofer IISB, Nuremberg

Powermodule mit Chip-on-Heatsink Zth = 0.268 k/W*

 

Elektrische Isolierung und thermische Leitfähigkeit

Keramik kombiniert zwei wichtige Eigenschaften: elektrische Isolierung und thermische Leitfähigkeit. Sie bietet eine gute elektromagnetische Verträglichkeit und verfügt über einen thermischen Ausdehnungskoeffizienten, der nahezu dem von Halbleitermaterialien entspricht. Im Gegensatz zu anderen Materialien sind Ausdehnungskoeffizient und thermische Leitfähigkeit bei Keramik jedoch in allen Richtungen gleich. Darüber hinaus ist Keramik wasserdicht sowie UV- und korrosionsbeständig.

Die vereinfachte Konstruktion, kombiniert mit dem direkten und dauerhaften Bonding zwischen wärmekritischer Elektronikkomponente und CeramCool® Oberfläche – Chip-on-Heatsink – schafft ideale Betriebsbedingungen.

CeramCool® Chip-on-Heat-Sink

CeramTec hat mit Chip-on-Heatsink ein revolutionäres Verfahren entwickelt, um eine Wärmequelle, wie eine LED oder einen Leistungshalbleiter, direkt auf eine metallisierte Wärmesenke per Löten oder Ag-Sintern zu montieren. Dadurch wird eine optimale thermische Ankopplung an das Kühlmedium (Luft oder Flüssigkeit) erreicht.

CeramTec Chip-on-Heatsink beschreibt letztlich ein Designkonzept zur deutlichen Reduzierung des Wärmewiderstandes, der Anzahl der Komponenten und des Bauraums. CeramCool® ist Kühlkörper und Isolator in einem. 

  • Kein zusätzlicher Metallkühlkörper: Sie können das Leiterbahnlayout direkt auf den Kühlkörper metallisieren.
  • Kein zusätzlicher Isolator: Sie können Ihren Halbleiter direkt sintern oder löten. 
  • Direkter thermischer Kontakt: Zwischenschichten verschwinden und der Wärmewiderstand wird reduziert.

CeramCool® Materialien

CeramCool®Rubalit® Al2O3Alunit® AlN
Linear-1K
Multi-K
Wabenkühler 
Boxkühler 
Kühldose 
Finnenkühler

 

Mit den keramischen Werkstoffen Rubalit® Aluminiumoxid (Al2O3) und Alunit® Aluminiumnitrid (AlN) stehen zwei seit vielen Jahren in der Elektronikindustrie bewährte Materialien von CeramTec für die Fertigung von CeramCool® Kühlkörper zur Verfügung.

 

CeramCool® Leistungsvergleich Flüssigkeitskühlung

Um die Leistungsfähigkeit des CeramCool® Prinzips bei flüssigkeitsgekühlten Systemen zu belegen, wurde ein direkt metallisierter Kühlkörper (Chip-on-Heatsink) mit einem konventionellen Flüssigkeitskühler mit aufgelötetem DCB verglichen. Dazu wurden auf einem Messstand die IGBTs beider Kühllösungen bis zum Erreichen einer konstanten Temperatur mit dem gleichen Laststrom beaufschlagt. Im Anschluß wurde die Abkühlkurve gemessen. Das Ergebnis: bei gleicher zugeführter Leistung beträgt ΔT – und damit der thermische Widerstand – im CeramCool® Systemaufbau nur die Hälfte des Wertes, der in einem herkömmlich aufgebauten Kühlsystem erzielt wird.

 

Vergleich: Chip-on-Heatsink/Konventioneller Aufbau eines Powermoduls (Pin = 100 W)


CeramCool® Liquid Cooling ist damit eines der effizientesten und zuverlässigsten Flüssigkühlsysteme auf dem Markt. Kein anderes Konzept erreicht die gleiche Kühlleistung bei gleicher Langlebigkeit. Der keramische Kühlkörper ist perfekt elektrisch isolierend und inert. Er kann auf allen Seiten direkt mit elektrischen Leiterbahnen versehen und mit Hochleistungskomponenten bestückt werden, ohne thermische Barrieren zu bilden. Die Effizienz dieses keramischen Systems steigt mit der Leistungsdichte.

Kooperation für optimale Kühlleistung

CeramTec und das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen arbeiten zusammen, um innovative Kühllösungen für Leistungselektronik für einen Drive-Inverter zu entwickeln.

Bei diesem gemeinsamen Projekt steht das Thermomanagement mit keramischen Kühlern mit aufgebrachter Metallisierung im Fokus. Dies ermöglicht es, Halbleiterchips direkt auf den Keramikkühler aufzubringen (Chip-on-Heatsink). Bei der Zusammenarbeit steht die Entwicklung eines Moduldesigns im Mittelpunkt, das durch die Nutzung von keramischen Kühlern die SiC Chips effizient entwärmt, die Chipfläche bestmöglich ausnutzt und die Baugröße des Kühlers so klein wie möglich hält. So können hohe elektrische Leistungen, die eine hohe Wärmeentwicklung mit sich bringen, auf kleinem Raum prozesssicher entwärmt werden und die Baugrößen von Leistungsmodulen sich miniaturisieren. Bei den vom IISB durchgeführten Messungen konnte eine Halbierung des thermischen Widerstandes gegenüber State of the Art Modulen erreicht werden.

CeramTec Kühlkörper E-Mobilität

CeramCool® Leistungsvergleich Luftkühlung

Um die Leistungsfähigkeit des CeramCool® Prinzips bei luftgekühlten Systemen zu belegen, wurde ein Finnen-Kühlkörper für die 4W-Entwärmung optimiert und diente als Vergleichsbasis. Das Ergebnis: der thermische Gesamtwiderstand des keramischen Rubalit® Aufbaus ist mindestens 13% besser als bei einer Aluminium-Baugruppe identischer Bauform. Bei Verwendung von Alunit® erreicht die Mindestverbesserung von CeramCool® sogar 31%.

Für Anwendungen mit weniger extremen Leistungsdichten, etwa bei LED-Modulen, haben sich luftgekühlte CeramCool® Finnenkühlköper bereits bestens bewährt.

CeramCool®-Geometrie für 4-W-Kühlung. Mit Rubalit® ist der Gesamtwärmewiderstand Rtt der Baugruppe gegenüber Aluminium um mindestens 13% besser, mit Alunit® sogar um 31%!

 

Alunit®
31% bessere Leistung
Rtt= 8.7 K/W
Max. Temp. Heat slug 51,3°C

 

Rubalit®
13% bessere Leistung
Rtt= 11.0 K/W
Max. Temp. Heat slug 59,7°C

 

Aluminium und PCB
Rtt= 12.7 K/W
Max. Temp. Heat slug 65,9°C

 

Wärmemanagement mit keramischen Kühlkörpern
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CeramCool® Kühlkörper

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