Metallische Anbindung zum Kühlsystem für leistungselektronische Module

Großflaechige Loetung
© Fraunhofer IZM
Leistungsmodul aus dem Projekt SiC-Modul (Design IZM, PCB-Fertigung Schweizer Electronic AG*) inkl. Röntgenaufnahme. Zu sehen ist, dass insbesondere in der Ebene zwischen dem bestückten Substrat und dem Kühler eine sehr gute großflächige Lötung (sehr gute Benetzung und nur sehr wenige kleine Poren vorhanden) mit einem Sn-Basis-Lot vorliegt.

Ein optimiertes Wärmemanagement ist insbesondere in der Leistungselektronik von zentraler Bedeutung. Die Verbesserung der thermischen Anbindung zwischen Package/Modul und Kühlerstruktur kann die Lebensdauer des Gesamtsystems um ein Vielfaches erhöhen.

Gelötete, silber- bzw. kupfergesinterte Verbindungen mit entsprechend hohen thermischen Leitfähigkeiten stellen hier im Vergleich zu den typischerweise verwendeten polymeren Thermal Interface Materials (TIM) einen Gamechanger hinsichtlich der Entwärmung dar.

Prozess- und Produktentwicklung

Löten

Löten ist ein mehrere tausend Jahre altes Verfahren zum stoffschlüssigen Fügen von Werkstoffen. Insbesondere beim Verbinden elektronischer Komponenten findet Lot als universelles Standardmaterial eine breite Verwendung.

Prozess- und Produktentwicklung

Silber-Sintern

Für eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Lebensdauer eignet sich das großflächige Silbersintern zwischen metallisierten Keramiksubstraten und einem Transferkühler. Untersuchungen an einfachen Proben haben gezeigt, dass sich Ermüdungsrisse sehr viel langsamer ausbreiten als bei Lotverbindungen.

 

Forschungsschwerpunkt

Sintern großer Flächen

Für eine möglichst hohe thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Lebensdauer eignet sich das großflächige Silbersintern zwischen metallisierten Keramiksubstraten und einem Transferkühler. Untersuchungen an einfachen Proben haben gezeigt, dass sich Ermüdungsrisse sehr viel langsamer ausbreiten als bei Lotverbindungen.

 

Forschungsschwerpunkt

Leistungsmodul mit Substrat-Wasserkühlung

Die wichtigsten Eigenschaften eines Leistungsmoduls für die Formel 1 sind eine höchstmögliche Leistungsdichte und ein geringes Gewicht. Volumen und Gewicht des vorgestellten Wandlers konnten im Vergleich zu früheren Versionen um ca. 50% reduziert werden.

 

Projekt

SiCmodul

Durch die Verwendung von SiC-Halbleitern und einen hochtemperaturtauglichen Aufbau können Leistungselektroniksysteme in Zukunft deutlich höhere Schaltfrequenzen und Leistungsdichten erreichen. Auch ihre Störanfälligkeit kann reduziert werden.