Technische Keramik Keramischer Kühler für Inverter im E-Auto

Die Leistungselektronik in E-Autos muss eine hohe elektrische Leistungen erbringen und das auf kleinstem Raum. Dafür muss die Technik entsprechend gekühlt werden.

Ein Antriebswechselrichter, der sogenannte Inverter, wandelt im Elektroauto für den Motor Gleichstrom zu Wechselstrom. Im Inverter befinden sich Halbleiter-Chips, die gut gekühlt werden müssen, damit sie keiner zu hohen Hitzebelastung ausgesetzt werden. Deshalb müssen thermische Widerstände möglichst weit gesenkt werden. Dabei gilt: Je geringer der Abstand zwischen den Chips und der Kühlflüssigkeit – desto besser die sogenannte Entwärmung.

Einige Systemaufbauten bestehen dabei aus mehreren Schichten unterschiedlicher Materialien, um die elektrische Isolierung sicherzustellen und dabei trotzdem möglichst wenig Wärmewiderstand zu generieren. Das heißt, die Systeme sind dadurch größer und das Wärmemanagement ist nicht ideal.

Bei Halbleitern auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) lassen sich hier neue Konzepte umsetzen. Gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie hat Ceramtec eine Technische Keramik entwickelt, die für eine verbesserte Leistungsdichte bei höherer Schaltfrequenz und gleichzeitiger Energieeinsparung sorgt.

Optimale Entwärmung auf kleinem Raum

Das Konzept basiert auf der Chip-on-Heatsink-Technik, das Kühlkörper und Platine zugleich ist. Hierbei befinden sich die Halbleiter-Chips direkt auf dem metallisierten Keramikkühlkörper und somit nah an der Kühlflüssigkeit. Die Kupferbleche werden direkt auf der Vorder- und Rückseite des Keramikkühlers aufgebracht, wodurch beide Seiten gleichzeitig gekühlt werden und als Schaltungsträger nutzbar sind. Der Ein- und Auslass für die Kühlflüssigkeit kann je nach Einbausituation variieren und über Dichtungen besteht eine einfache Verbindung an den Kühlkreislauf.

Die innere Kühlstruktur des Keramikkörpers ist als Pin-Fin-Struktur aufgebaut und kann vielfältig konzipiert werden. Damit wird die Chipfläche bestmöglich ausgenutzt und die Baugröße zugleich so klein wie möglich gehalten. Bereits durch den speziellen Aufbau wird ein 29 Prozent geringerer Wärmewiderstand gegenüber einem Standardaufbau mit metallischem Kühler und der gleichen Pin-Fin-Struktur erreicht. Mit der optimierten Geometrie könne sogar ein bis zu 50 Prozent geringerer Wärmewiderstand erzielt werden.

Ein weiterer Vorteil dieser spezifischen Struktur ist, dass sie sich auf den Footprint der SiC-Halbleiter abstimmen lässt, wodurch sich jeweils gleich viele Pin-Fins unterhalb der Chipfläche befinden.

Kühlleistung von bis zu 1.000 W/cm²

Für die Herstellung werden mehrere keramische Grundkörper, wie z. B. keramische Folien oder Blöcke, einzeln strukturiert, übereinandergelegt und gemeinsam in einem Brennofen bei hohen Temperaturen zu einem monolithischen Körper versintert. Alternativ aus Aluminiumoxid (Rubalit) oder dem hochwertigeren Aluminiumnitrid (Alunit) hergestellt, kann der Kühlkörper direkt und beidseitig metallisiert werden und hat eine Entwärmungsleistung von bis zu 1.000 W/cm².

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Zudem lässt sich die Innenstruktur anpassen. Das Produkt kann somit für nahezu jede Kühlleistung skaliert werden und ist designtechnisch für den jeweiligen Bedarf vielfältig anpassbar. Dieses Verfahren ermöglicht die Herstellung von Flüssigkeitskühlern, die im Bereich der Chips eine turbulente Strömung mit einer hohen Wärmeableitung, aber größerem Strömungswiderstand erzeugen und außerhalb der Chipfläche laminare Strömungen mit niedrigem Strömungswiderstand.

Kühlkörper wiegt 10 g

Insgesamt kommt der Kühlkörper auf eine Größe von 48 mm x 36 mm bei einer Dicke von 3,6 mm inklusive Metallisierung (Keramikanteil = 3 mm) und wiegt dabei 10 g. Er ist trotz der leichten und kleinen Bauweise stabil und übersteht den Prozess des Silbersinterns problemlos.

* Richard Boulter ist President Industrial der Ceramtec-Gruppe

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