Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
Den höchsten Anteil (ca. 50%) am thermischen Widerstand vom Chip zum Kühlkörper hat in beiden
Fällen die Wärmeleitpaste (TIM – thermal interface material). Dies ist zunächst verwunderlich,
da die Bodenplatte eine bessere Wärmespreizung und damit einen geringeren Einfluss der
Wärmeleitpastenschicht verspricht. Allerdings liegen Bodenplatten aufgrund von unvermeidbarer
Verbiegung durch die Keramiklötung niemals vollflächig auf dem Kühlkörper auf. Diesen Bimetall-
Effekt beim Zusammenlöten zweier Materialen mit unterschiedlichem thermischen Ausdehnungskoeffizient
kann man auch mit vorgebogenen Grundplatten nicht kompensieren. Die Durchbiegung
ist nicht konstant, sondern ändert sich im Lauf der Zeit, da das Lot fließt und so einen Teil der
Spannungen abbaut. Weiterhin ändert sie sich auch in Abhängigkeit von der Einsatztemperatur,
selbst eine ideal geformte Bodenplatte würde nur in einem Temperaturpunkt glatt aufliegen.
Die so gebogenen Grundplatten werden nur über die im Randbereich angeordneten Befestigungsschrauben
mit geringer Anpresskraft auf den Kühlkörper gedrückt (Bild 2.5.18). Dadurch sind wesentlich
stärkere Schichten (typ. 100 µm…200 µm) der thermisch schlecht leitenden Wärmeleitpastenschicht
notwendig [35]. Dies wird um so kritischer je größer das Modul ist. Deutlich sind im
Bild 2.5.17 auch die 4 Nester der aufgelöteten DCB zu erkennen. Teilweise wird versucht, diese
Durchbiegung durch geteilte Bodenplatten zu reduzieren, indem jedem DCB-Segment auch ein
separates Bodenplattensegment zugeordnet wird [36].
Bild 2.5.17 Vermessung der Bodenplatte eines PrimPack FF650R17IE4 von Infineon
Die Bodenplatte selbst hat aufgrund ihrer Dicke (2...5 mm) trotz der hohen Wärmeleitfähigkeit des
Materials (Cu: l = 393 W/m*K) ebenfalls einen nicht zu vernachlässigenden Anteil am thermischen
Modulwiderstand. Dünnere Bodenplatten senken diesen Anteil nur bedingt, da mit der Bodenplattendicke
auch die Aufspreizung des Temperaturfeldes und damit die Wärmedurchtrittsfläche unter
den Chips abnehmen. In Modulen im oberen Leistungsbereich (>= 1000 A) werden in Verbindung
mit AlN Keramik AlSiC Bodenplatten eingesetzt. Dies ist notwendig, um den thermischen Ausdehnungskoeffizienten
von Keramik und Bodenplatte anzupassen (a: AlN 5,7 ppm, AlSiC 7 ppm, Cu
17 ppm → siehe auch Kap. 2.7 Zuverlässigkeit). Die schlechtere Wärmeleitfähigkeit von AlSiC
(l = 180 W/m*K) gegenüber Kupfer erhöht den thermischen Widerstand und verringert die Wärmespreizung.
Wie bereits mehrfach erwähnt, ist das Weglassen der Bodenplatte die effektivste Lösung, den
thermo-mechanischen Stress zwischen Bodenplatte und Keramik und die Durchbiegung zu beseitigen.
Das Fehlen der Wärmespreizung im Cu wird teilweise durch die wegfallenden thermischen
Widerstände von Bodenplatte und Rückseitenlötung kompensiert. Viel wesentlicher ist aber, dass
in derartigen Aufbauten ein dichteres Aufliegen der Chips auf dem Kühlkörper erreichbar ist. Dies
erlaubt eine drastische Reduzierung der Wärmeleitpastenschicht auf 20…30 µm. Dazu wird die
DCB durch Druckelemente an vielen Punkten chipnah an den Kühlkörper angedrückt.
86