Die Kühlung der Leistungselektronik im Antriebsstrang nimmt eine wichtige Rolle ein, wenn es darum geht, die elektrische Leistung in E-Antrieben konstant und zuverlässig über längere Zeiträume hinweg und auf kleinstem Raum regeln zu können. Zusammen mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen entwickelte CeramTec eine innovative Kühllösung für die Leistungselektronik im Anstriebsstrang von E-Motoren.
Im Fokus des gemeinsamen Projekts FuCera stand die Entwicklung eines Moduldesigns, das durch die Nutzung von keramischen Kühlern die SiC-Halbleiterchips effizient entwärmt und die Chipfläche bestmöglich ausnutzt. Hochleistungskeramiken sind durch ihre Eigenschaften – temperaturwechselbeständig, chemisch resistent, elektrisch isolierend, korrosions- und verschleißfest – und ihre thermische Leitfähigkeit herausragend für den Einsatz in der E-Mobiliät geeignet.
Keramischer Kühlkörper mit Chip-on-Heatsink Technologie
Für eine effiziente Entwärmung und somit ein besseres Thermomanagement setzt CeramTec keramische Kühlkörper mit beidseitig aufgebrachter Metallisierung ein, die es ermöglichen die Halbleiterchips direkt auf den Keramikkühler aufzubringen (Chip-on-Heatsink). Durch diesen Aufbau ist es möglich, beide Seiten als Schaltungsträger zu
nutzen und gleichzeitig zu kühlen.
Die innere Kühlstruktur kann dabei individuell an die Anforderungen angepasst werden und z.B. als Pin-Fin-Struktur gestaltet werden. Im direkten Leistungsvergleich zwischen herkömmlich aufgebauten Kühlsystemen und Chip-on-Heatsink Kühlkörpern beträgt der thermische Widerstand von Letzteren lediglich die Hälfte des Wertes.
Der Chip-on-Heatsink-Aufbau wurde auch bei dem neuen SiC-Leistungsmodul mit integriertem Keramik-Kühler angewandt. Der Kühler besteht aus einem flüssigkeitsdurchströmten Aluminiumnitrid-Kühler mit beidseitiger Kupfermetallisierung und optimierter Pin-Fin-Struktur. Der sehr kompakte Kühlkörper hat dabei nur eine Größe von 48 x 36 mm bei einer Dicke von 3,6 mm (inkl. Metallisierung) und ein Gewicht von zehn Gramm.
Testmessungen bestätigen thermische Performance
Die thermische Performance des Moduls wurde eindrucksvoll durch die thermische Charakterisierung am PowerCycling-Prüfplatz bestätigt. Der thermische Widerstand des Leistungsmoduls mit PinFin Keramik- Kühler beträgt im Auslegungspunkt 0,15 K*cm²/W vom Chip bis ins Kühlwasser.
Die kleine und leichte Bauweise des Kühlers als auch deren innere PinFin-Strukturen sind für die Bestückung der Halbleiter mittels druckbehaftetem Sintern hervorragend geeignet, was sowohl mittels Berechnung als auch anhand der aufgebauten Leistungsmodule in der Praxis nachgewiesen wurde. Einge gute Sinterfähigkeit der Kühlermetallisierungen wurden durch Scherfestigkeiten von ca. 40 MPa nachgewiesen.
„Die Testmessungen haben bewiesen, dass das SiC Leistungsmodul mit leistungsstarkem Aluminiumnitrid-Keramik-Kühler hohen Belastungen standhält. Mit einem geringen Wärmewiderstand und einer hohen Packungsdichte wird das Leistungsmodul für Drive Inverter zu einem Hochleistungskühler für die E-Mobilität, das zusätzlich für spezifische Kundenanforderungen modifiziert werden kann“, sagt Richard Boulter, President Industrial der CeramTec-Gruppe.
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