Kühle Trägerplatte sucht heißen Halbleiter.

Bauteile in der Halbleiterelektronik produzieren im Betrieb immer mehr Wärme. Für die effektive Kühlung sind Werkstoffe von Plansee gefragt.

Immer höhere Leistungsdichten in elektronischen Bauelementen sind eine große Herausforderung für das Wärmemanagement. Unzureichende Kühlung beeinträchtigt die Zuverlässigkeit von Halbleiterelementen. Fällt ein elektronisches Bauteil aus, ist mit hoher Wahrscheinlichkeit der Wärme daran schuld. Nur selten sind es Vibrationen, Feuchtigkeit oder Staub, die zum Versagen führen.

Worauf es ankommt.

Konstrukteure von Elektronikbauteilen setzen sich in erster Linie mit der Differenz zwischen der Betriebstemperatur des Halbleiters und der Umgebungstemperatur auseinander. Die thermische Auslegung von elektronischen Bauelementen richtet sich außerdem nach der Wärmestromdichte, also der Wärmemenge, die über die zur Verfügung stehende Fläche abgeführt werden muss. Die höchsten Verlustleistungen entstehen oft konzentriert in kleinsten Flächenelementen, den sogenannten Hotspots des Chips. In der Hochleistungselektronik können lokale Wärmestromdichten von einigen 100 bis über 1.000 Watt pro Quadratzentimeter auftreten – und das bei maximal zulässigen Betriebstemperaturen von weniger als 150 Grad Celsius. Zum Vergleich: Wärmeströme von einigen Kilowatt pro Quadratzentimeter treten auch in Raketendüsen auf, allerdings bei Temperaturen von mehr als 2.500 Grad Celsius. Eine heiße Herdplatte bringt es dagegen nur auf knapp acht Watt pro Quadratzentimeter.

Eine spannende Frage entzündet sich auch zwischen heißem Halbleiter und kalter Trägerplatte. Passen Wärmeleitfähigkeit und Wärmeausdehnung der Materialien nicht optimal zusammen, sind unerwünschte Verformungen oder sogar Schädigungen des Halbleiters vorprogrammiert. Was im Umkehrschluss heißt: Je besser die Eigenschaften aufeinander abgestimmt sind, desto sicherer übersteht das Halbleitermodul die Lötprozesse bei der Herstellung und Temperaturschwankungen im laufenden Betrieb.

Zusammengefasst bedeutet dies: Das Wärmeausdehnungsverhalten des Trägermaterials muss dem des Halbleiters möglichst nahe kommen. Für die Wahl des geeigneten Trägermaterials ist auch entscheidend, mit welchen Wärmeströmen gerechnet wird. Je höher die Wärmeströme, desto besser muss die Wärmeleitfähigkeit des Materials sein.

Hier treffen sich hohe Wärmeleitfähigkeit und geringe Ausdehnung.

Kupfer und Aluminium sind relativ gute Wärmeleiter und als Trägerplatten und Kontakte in der Elektronik weit verbreitet. Der gravierende Nachteil ist aber ihr hoher thermischer Ausdehnungskoeffizient. Damit sind diese Werkstoffe als Trägermaterial für Hochleistungshalbleiter nicht geeignet.

Die Refraktärmetalle Molybdän und Wolfram sind aufgrund ihrer geringen Wärmeausdehnungskoeffizienten als Basismaterial bestens positioniert. Sie kommen schon seit vielen Jahren als Trägerplatten für Leistungstransistoren zum Einsatz. Für Anwendungen mit höheren Anforderungen an die Wärmeleitfähigkeit wurden Verbundwerkstoffe aus Molybdän, Wolfram und Kupfer entwickelt. Der Kupfergehalt dieser Verbundwerkstoffe kann gezielt eingestellt werden, so dass die thermischen Eigenschaften der Trägerplatte optimal an den gesamten Aufbau angepasst werden können.

Molybdän-Kupfer-Verbundwerkstoffe sind aufgrund ihres geringeren Gewichts überall dort geeignet, wo jedes Gramm zählt. Zum Beispiel in der Automobilindustrie als Trägerplatten für IGBT-Module. Werkstoffverbunde mit mehreren Molybdän- und Kupferschichten können die Wärmeleitfähigkeit von Basisplatten im Vergleich zu reinem Molybdän mehr als verdoppeln. Solche Laminate werden beispielsweise als Basisplatten für Hochfrequenz-Leistungsverstärker in Mobilfunk-Basisstationen benötigt.

Die idealen Werkstoffe. Natürlich von uns.

Für das Wärmemanagement in der Elektronik fertigen wir sowohl Halbzeug als auch fertige Wärmespreizer, Wärmesenken und Basisplatten aus Molybdän-Kupfer-Verbundwerkstoffen. Alle Produktionsschritte vom Rohstoff bis zum Endprodukt inklusive der Beschichtung haben wir selbst in der Hand. Neben der Entwicklung von Prototypen für neue Anwendungen und der ständigen Optimierung unserer Produkte ist uns die Entwicklung kostengünstiger Herstellverfahren ein großes Anliegen.

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