Hitze empfindliche Halbleiter-Komponenten werden häufig auf Substraten montiert, die elektrische Isolierung und gleichzeitig ausreichende Wärmeableitung bringen müssen. Meist entstehen "Sandwiches" aus unterschiedlichsten Materialien, wobei jede Schicht eine zusätzliche Hürde für ideale Wärmeableitung bedeutet. Mit CeramCool® wird das Substrat selbst zum Kühlkörper. Eine enorme Vereinfachung. Am Beispiel einer High-Power-LED lässt sich der Unterschied zwischen der aktuellen vielschichtigen Bauweise und der in Zukunft durch CeramCool® vereinfachten und verkleinerten Bauform gut darstellen.
Technisch bringt dies zahlreiche Vorteile:
Der Kühlkörper als Schaltungsträger – Die neue Kompaktheit
CeramCool® kann mit Dick- oder Dünnfilmprozessen wie herkömmliche keramische Substrate direkt beschichtet werden. Damit wird die gesamte Oberfläche des Kühlkörpers voll als Schaltungsträger nutzbar – natürlich zuverlässig elektrisch isoliert. So hat z.B. eine High-Power-LED an ihrem Gehäuse neben den elektrischen Anschlüssen meist eine metallische Fläche, über die Wärme zuverlässig abgeführt werden muss. Diese Fläche kann nun direkt, mit gezielt auf dem CeramCool® aufgebrachten Metallisierungspads, durch Löten zuverlässig mit dem Kühlkörper verbunden werden. Kompromisse wie Klemmen oder Kleben der High-Power-LED entfallen.
Das Sandwich auf Diät – Vereinfachung und Miniaturisierung
Bisher wird eine Vielzahl unterschiedlicher Materialien für den Gesamtaufbau verwendet, was gleichzeitig zahlreiche Fertigungsschritte bedeutet. Eine mögliche Vereinfachung mit CeramCool® ist, den mit Leiterbahnen bedruckten Kühlkörper wie eine Platine zu bestücken und in einem Reflow-Prozess zu einem funktionierenden Gesamtaufbau werden zu lassen. Die Vereinfachung kann soweit gehen, dass man den Chip direkt auf dafür vorgesehene metallische Oberflächen des CeramCool® bonded. Chip on Heatsink! Kompakt und einfach.
Erprobtes Know-how – seit Jahrzehnten bewährt
CeramCool® lässt sich mit erprobten Verfahren wie Dünn- und Dickschichttechnologie weiterverarbeiten. Keine neuen Fertigungsverfahren und Technologien sind notwendig. Qualifizierte Prozesse und Materialien, die sich bereits seit Jahrzehnten in High-Tech-Anwendungen der Powerelektronik oder in der Flugzeug- und Automobilindustrie bewähren, können eingesetzt werden. Bei fachgerechter Montage erweist sich die Keramik dabei als ausgesprochen stabil und gut mechanisch belastbar.
Exzellentes thermisches Management – Hohe Lebensdauer
CeramCool® besteht aus den bewährten keramischen Werkstoffen Rubalit® 708, Rubalit® 710 oder Alunit®. Diese Werkstoffe besitzen einen an Halbleitermaterialien angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten, hervorragende elektrische Kenngrößen und sind gleichzeitig korrosionsbeständig. Die vereinfachte Bauweise (ohne Kleber, Isolationsschichten etc.) in Kombination mit einer direkten und dauerhaften Verbindung von High-Power-LED und CeramCool® schafft optimierte Betriebsbedingungen für den gesamten Aufbau. Vereinfacht ausgedrückt: Was nicht da ist, kann nicht altern und Materialien, die sich in gleichem Maß ausdehnen, lösen sich nicht voneinander. Das Ergebnis ist sehr gute Langzeitstabilität, sicheres thermisches Management und hohe Zuverlässigkeit. Die Lebensdauer steigt.
Warmer Kühlkörper – kühle LED
Das Fraunhofer Institut Nürnberg verglich zwei Kühlkörper gleicher Geometrie bezüglich ihrer Oberflächentemperatur: Markt übliches Aluminium mit geklebtem Chip versus CeramCool® aus Rubalit® oder Alunit® mit Metallisierungspad und gelötetem LED. Die Kontrastbilder 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 total aus. Der keramische Kühlkörper hingegen wird warm und leitet die entstehende Wärme großflächig über seine Oberfläche ab. Der Grund ist simpel: Der Chip ist nur über Metalle mit dem elektrisch isolierenden CeramCool® dauerhaft und zuverlässig verbunden. Das Resultat ist überzeugend: Die Maximaltemperatur am Chip ist halb so hoch wie beim Aluminiumaufbau: Nur 79°C werden erreicht. Genau hier muss man weiter denken. Wenn der Kühlkörper warm wird entlastet er die LED. Genau dann macht er seine Arbeit indem er die kritische Komponente kühlt.
Aluminium bleibt insgesamt kalt aber der Chip hat eine Maximaltemperatur von 160°C. Der keramische Kühlkörper wird warm und leitet die am Chip entstehende Wärme ungebremst ab. Die Maximaltemperatur ist nur halb so hoch: 79°C. CeramCool® arbeitet. Er wird warm und kühlt die LED. (Quelle: Fraunhofer Institut)
Dass bei CeramCool® die Wärmequelle ihre Wärme ohne Barriere schnell an den keramischen Kühlkörper abgeben kann zeigt auch eine weitere Grafik. Beim Einschalten schnellt die Chiptemperatur sofort hoch. Nach 0,1 Sekunde erreicht sie aber bei CeramCool® nur 45°C rund 60°C beim konventionellen Aufbau mit Aluminiumkühlkörper. Das keramische System arbeitet deutlich dynamischer, das Aluminiumsystem mit Verzögerung. Fazit: CeramCool® arbeitet. Er wird warm und kühlt die LED.
Was widerfährt dem Chip? Bei CeramCool® gibt er seine Wärme barrierefrei sofort an den keramischen Kühlkörper ab. Beweis für die hohe Dynamik des Systems: Nach 0,1 Sekunde erreicht CeramCool® nur 45°C versus rund 60°C bei Aluminium. Eine erhebliche Entlastung mit deutlicher Erhöhung der Lebensdauer. (Quelle: Fraunhofer Institut)
Ganz nach Bedarf – Doppelte Designfreiheit
CeramTec ist einer der weltweit führenden Hersteller von Hochleistungskeramik und anerkannter Lieferant z.B. der Elektronik- und Automobilindustrie. Dank der umfangreichen Werkstoffpalette ist eine kundenspezifische Herstellung verschiedenster Produkte möglich. Natürlich kann CeramCool® mit oder ohne Metallisierungen geliefert werden.
Besonders wichtig ist allerdings die doppelte Designfreiheit von und mit CeramCool®: Der Kühlkörper kann nach Kundenspezifikationen gefertigt werden. Völlig individuelle Formen sind möglich. Auch in anderer Hinsicht werden neue Designs möglich. Denn durch die vereinfachte Bauweise, die Möglichkeit den Kühlkörper als Schaltungsträger zu nutzen und das zuverlässige Thermomanagement wird eine starke Miniaturisierung erzielt. Eine gute Basis, um sich im Markt klar zu differenzieren.