Technische Keramik Keramische Kühllösung für Inverter im E-Auto

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Antriebe in E-Autos müssen höchste elektrische Leistungen erbringen und das konstant und zuverlässig über längere Zeiträume auf kleinstem Raum. Dafür muss die Leistungselektronik entsprechend gekühlt werden. Hochleistungskeramiken nehmen dabei eine wichtige Rolle ein.

Elektroautos sind auf dem Vormarsch. Derzeit befinden sich laut Bundesministerium für Wirtschaft und Energie (BMWi) über 70 E-Automodelle deutscher Hersteller auf dem Markt (Stand August 2021). Auch die Verkaufszahlen erreichen in Deutschland neue Höchststände. 478.121 Neuwagen waren 2021 mit einem Elektro-Antrieb ausgestattet, wie aus den neusten Zahlen des Kraftfahrt-Bundesamts hervorgeht.

Dennoch stößt die Automobilindustrie hier auf einige Herausforderungen: Vor allem der knappe Bauraum, die steigenden Leistungsanforderungen und der Wunsch nach hohen Reichweiten benötigt komplett neue Lösungsansätze im Bereich der Antriebstränge.

Allround-Werkstoff Hochleistungskeramik

So muss im Elektroauto beispielsweise für den Motor Gleichstrom zu Wechselstrom umgewandelt werden. Diesen Vorgang übernimmt ein Antriebswechselrichter, der sogenannte Inverter. 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 Entwärmung.

Herkömmliche 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. Folglich braucht es alternative wegweisende Konzepte der Entwärmung.

Halbleiter auf Basis von Siliziumkarbid (SiC) vereinen diese Eigenschaften optimal. Die Technische Keramik sorgt für eine verbesserte Leistungsdichte bei höherer Schaltfrequenz und gleichzeitiger Energieeinsparung. Für das Thermomangement des Antriebswechselrichters hat Ceramtec gemeinsam mit dem Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie (IISB) in Erlangen, eine innovative Kühllösung für die Leistungselektronik im Antriebsstrang entwickelt.

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Optimale Entwärmung auf kleinem Raum

Die neue keramische Kühllösung basiert auf der Chip-on-Heatsink Technologie, 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.

Bis zu 50 Prozent geringerer Wärmewiderstand

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 Ceram-Cool-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. So ist auch bei hoher elektrischer Leistungsdichte, die mit einer steigenden Wärmeerzeugung einhergeht, eine optimale Entwärmung auf kleinem Raum möglich.

Je nach Anordnung wird die Wärmeübertragungsfläche des Kühlkörpers deutlich vergrößert und umspült die Oberfläche der Pin-Fin ideal, um die Wärme bestens abzutransportieren. 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, sodass der Chip optimal entwärmt wird.

Entwärmungsleistung von bis zu 1000 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 1000 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. Mit diesem Aufbau ist es möglich, unter den Chips gezielt einen hohen Wärmeübergang zur signifikanten Reduzierung der Halbleitertemperatur zu erzeugen, bei einem ansonsten möglichst homogenen Durchflussverhalten.

Kühlkörper wiegt nur 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 lediglich 10 g. Er ist trotz der leichten und kleinen Bauweise stabil und übersteht den Prozess des Silbersintern problemlos. Somit wird das keramische Leistungsmodul für Drive Inverter zu einem Hochleistungskühler mit einem geringen Wärmewiderstand und einer hohen Packungsdichte, das für kundenspezifische Anforderungen entsprechend modifiziert werden kann. (jup)

* Präsident Industrial der Ceramtec-Gruppe

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