Keramik als Kühlkörper - CeramTec

LEISTUNGSELEKTRONIK
Keramik auch als Kühlkörper
im Automobil
Der keramische Kühlkörper Ceramcool ermöglicht die KOMBINATION VON PLATINE UND KÜHLKÖR-
PER ZUR SICHEREN ENTWÄRMUNG thermisch sensibler Komponenten und Schaltungen. Da Keramik
elektrisch isoliert, sind dabei keine zusätzlichen isolierenden Schichten zwischen Elektronik
und Kühlkörper notwendig, wodurch der Wärmewiderstand sinkt.
Bisher kommen beim Aufbau gekühlter
Schaltungen viele unterschiedliche
Materialien zum Einsatz,
die jeweils elektrisch isolieren und
mechanisch verbinden. „Beides lässt sich
mit Keramik einfacher lösen, denn sie ist
per se elektrisch isolierend und kann
durch Metallisierungspads Bondflächen
anbieten“, konstatiert Dr. Alexander
Dohn, Geschäftsbereichsleiter Elektronik
der Ceramtec AG. Die in herkömmlichen
Verfahren verwendeten Schichten seien
häufig lediglich geklebt und hätten unterschiedliche
thermische Ausdehnungseigenschaften.
Über die Einsatzdauer
kann dies zu Delaminierung und Degradation
an den Grenzflächen führen, was
den Wärmeabtransport und die Lebensdauer
der Elektronik deutlich verschlechtert.
Dr. Dohn weiter: „Für das keramische
Gesamtsystem gelten hingegen
optimierte Betriebsbedingungen, denn
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was nicht da ist, kann nicht altern, und
Materialien, die sich in gleichem Maß ausdehnen,
lösen sich nicht voneinander. Das
Ergebnis ist eine ausgezeichnete Langzeitstabilität
bei hoher Zuverlässigkeit.“
Steuerbare Qualität
Bei der Auswahl von neuen technischen
Lösungen ist es entscheidend, dass die gewünschte
Qualität sowohl in der Produktion
als auch über die Einsatzdauer sicher
eingestellt werden kann. „Die bei Ceramcool
genutzten Prozesse und Materialien
sind RoHS-konform und seit Jahrzehnten
in der Automobil- und Flugzeugindustrie
bewährt“, berichtet Dr. Dohn.
„Beispielsweise kann Ceramcool mit
Dick- oder Dünnfilmprozessen beschichtet
werden. Alle Flächen des keramischen
Kühlkörpers sind für das Bedrucken
mit Leiterbahnen geeignet. Damit
wird seine gesamte Oberfläche zum
Auf der planen Oberfläche
des keramischen
Kühlkörpers lässt sich
ein kundenspezifisches
Layout unterbringen
Baugruppenträger mit individuellem,
zuverlässig isoliertem Leiterbahnen-
Layout.“
Cool bleiben
Das Fraunhofer Institut verglich einen
marktüblichen Aluminiumkühlkörper,
bei dem der Chip aufgeklebt ist, mit einem
Ceramcool- Kühlkörper aus Rubalit
(96% Aluminiumoxid), der über ein Metallisierungspad
und eine aufgelötete
LED verfügt. Dabei blieb das Aluminium
insgesamt kalt, aber der Chip hatte eine
Maximaltemperatur von 169 °C. Der keramische
Kühlkörper wurde warm und
leitete die am Chip entstandene Wärme
direkt ab, so dass dort die Maximaltemperatur
mit 82 °C nur halb so hoch ausfiel.
„Die gute thermische Entwärmung und
die typischen Eigenschaften von Hochleistungskeramik
ermöglichen den Einsatz
von Ceramcool in unterschiedlichs-

ten Umgebungen und Anwendungsbereichen“,
so Dr. Alexander Dohn.
Keramik in der Automobilindustrie
Auch in der Automobilindustrie kommt
Keramik dort zum Einsatz, wo hohe Temperaturen,
agressive Umweltbedingungen
und starke mechanische Belastungen
herrschen, während der Werkstoff
gleichzeitig chemisch inert bleiben muss.
So bewährte sich Keramik in Anwendungen
wie Lambdasonden, Öldrucksensoren,
Signalgebern und ABS-Systemen
zusätzlich noch durch Vibrationsfestig-
keit und die gezielte Einstellbarkeit
mechanischer Eigenschaften.
Bei Xenonlampen sind die
exzellente elektrische Isolation
sowie die reflexionsfreie Oberfläche
und die UV-Beständigkeit
von Vorteil.
„Die meisten keramischen
Bauteile für den Elektronikbereich
werden nach kundenspezifischen
Formen gefertigt“,
berichtet Dr. Dohm aus seiner
Praxis. „Dabei kommt der
Werkstoff nicht nur als Kern eines
Bauelementes, also als Spulenträger
oder Widerstand zum
Einsatz, sondern vor allem als
Trägermaterial von Schaltungen.
Hier wird die Flexibilität
des möglichen Aufbaus geschätzt,
da Metallisierungen
einfach und gezielt eingebracht
werden können, um Bauteile z.
B. durch Bonden aufzunehmen
oder Leiterbahnen zu realisieren
– bei Bedarf auch dreidimensional.
Die kleinsten in Massen hergestellten
Bauteile sind dabei
nicht größer als 0,05 mm.“
Neben der Nutzung aus thermischen
und elektrischen
Gründen befinden sich keramische
Elemente im Automobil
auch in rein mechanischen Anwendungen
wie z. B. bei Gleitringen
in Kühlpumpen oder als
Ventilplättchen, wo jeweils Abriebfestigkeit
und Formstabilität
gefragt sind. Warum also Keramik
nicht auch als Kühlkörper
nutzen? Ihre Wärmeleitfähigkeit
reicht bis 180 W/mK, Temperaturschocks
bis 390 °C übersteht
sie ohne Schaden, die
Temperaturwechselbeständigkeit
wurde von –40 bis +170 °C
bestätigt, und selbst im Automobilbereich
getestete Beschleunigungen
bis 80 g überstand
das Material intakt.
Designfreiheit
Keramik ist hart, aber sehr flexibel in der
Formgebung. Keramik-Kühlkörper lassen
sich nach Kundenspezifikationen fertigen,
wobei unterschiedliche Werkstoffe
von der Glaskeramik über hochreines
99,5%-iges Al 2O 3 bis zum gut wärmeleitenden
AlN zur Verfügung stehen. Dabei
sind völlig individuelle Formen realisierbar,
deren Abmessungen im Bereich 0,05
bis 500 mm liegen können.
Neben den technischen Aspekten ist
Dr. Dohn ein Faktum besonders wichtig:
„Die Ceramtec AG ist kein Startup-Unter-
LEISTUNGSELEKTRONIK
nehmen sondern einer der weltweit führenden
Hersteller von Hochleistungskeramik
auch im Automobilbaubereich.“
– vielleicht bald auch zur Entwärmung.
Alfred Vollmer ist Redakteur der
AUTOMOBIL-ELEKTRONIK.
infoDIRECT www.all-electronics.de
Link zu CeramTec: 332AEL0308
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