Aluminium-Nitrid PCB Insert zum Kühlen von D2PAK

Tom Gast #7124190
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Hallo miteinander

Ich habe mir letzthin das folgende Evaluations-Board von Wolfspeed 
angeschaut 
(https://www.digikey.ch/en/products/detail/wolfspeed-inc/KIT-CRD-8FF90P/14010329).

Aus dem Datenblatt sind die beiden Abbildungen im angehängten Bild 
entnommen.

Die Wärme die in den beiden D2PAK MOSFETs entsteht wird durch das PCB in 
einen Kühlkörper abgeführt.

Dabei wir gemäss Datenblatt ein sogenannter Aluminium-Nitrid "PCB 
Insert" benutzt, um die Wärme durch das PCB hindurch abzuführen. Ich 
sehe solche Inserts jetzt zum ersten mal und hätte ein paar Fragen dazu:

1.) Wenn ich es richtig verstehe, müssen diese Inserts im Laufe des PCB 
Herstellungsprozesses eingeführt werden, man kann diese also nur 
benutzen, wenn der entsprechende PCB Produzent dies unterstützt?

2.) Der thermische Widerstand des Inserts (Rth,c-s [case-sink]) wird mit 
1.28°C/W angegeben was mit einigermassen hoch erscheint. Grundsätzlich 
könnte man doch einen ähnlichen Wert mit thermischen Vias erreichen?
(Die 7x8 thermischen Vias in "dpak-thermal-vias.png" beispielsweise 
sollten einen thermischen Widerstand von ca. 0.84°C/W haben. Evtl müsste 
man die Lochdurchmesser noch etwas kleiner wählen um einen Lotabfluss 
während dem Reflow zu verhindern, aber grundsätzlich sollte eine 
"thermische Durchkontaktierung" mittels Vias von 1°C/W erreichbar sein, 
zumindest rechnerisch?
Was wäre dann also der Vorteil diese Inserts zu benutzen?
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Tom Gast #7124329
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Das Paper hier https://ieeexplore.ieee.org/document/6646981 geht etwas 
genauer auf die Kühlung von DPAKs mit thermischen Vias ein.

Für das Pattern 3, welches ähnlich ist wie dasjenige von mir, wird 
ebenfalls ein ziemlich niedriger thermischer Widerstand berechnet (ca. 
0.6°C/W, aber mit Vias die mit normalem PCB resin gefüllt sind).

In der experimentellen section scheinen die allerdings einen 
äquivalenten thermischen Widerstand von ca. 2.9°C/W zwischen Case und 
Kühlkörper zu messen.

Evtl. kommt es wegen den vielen Vias zu einer schlechteren Kontaktierung 
zwischen MOSFET Rückseite und PCB was zu einer Erhöhung des thermischen 
Widerstand führt.

Allerdings scheinen 3°C/W für den thermischen Widerstand zwischen case 
und PCB Rückseite in etwa realistisch zu sein.
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asd Gast #7124410
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Es gibt auch PCB Hersteller die "normale" Leiterplatten mit Vias machen, 
in die Vias aber was thermisch gut leitfähiges rein schmieren um die 
Entwärmung zu verbessern, um Luftblasen zu vermeiden und um den Abfluss 
von Lötzinn beim löten zu vermeiden. Wenn das gut genug ist sollte das 
billiger sein als irgendwelche Inserts.
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Xerxes Gast #7124427
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Thermal Vias leiten Wärme UND Strom.
AlN-Inserts nur Wärme. Dadurch kann das Wärmeleitpad unter der Lp dünner 
und/oder leitfähig ausgebildet werden ( z.B. Grafit-folie)
Muss man von Fall zu Fall durchrechnen.
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Max M. Gast #7124436
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Xerxes schrieb:
> Thermal Vias leiten Wärme UND Strom.
> AlN-Inserts nur Wärme.

AlN leitet Wärme besser als Kupfer.
Thermo Vias haben nur den Hülsenrand zum Wärmeleiten.
Die eventuelle Füllung (plugged vias) ist besser als Luft aber viel 
schlechter als Kupfer.

Die ganze Maßnahme ist zu kompliziert und ineffektiv.
Der AlN Körper ist zu klein und kontaktiert einen Alu Kühlkörper.
Mit einem direkt kontaktierten Kupfer Heatspreader wäre man wohl weiter 
gekommen.
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Hp M. #7133585
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Max M. schrieb:
> AlN leitet Wärme besser als Kupfer.

Halte ich für ein Gerücht.
Wikipedia sagt:

> AlN-Keramik besitzt eine sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von 180 W/(m·K)
 Für reines (99,999%) Kupfer werden 403 W/(m·K) angegeben.
Etwas besser ist Silber mit 430 W/(m·K),
aber die Metalle bieten eben keine elektrische Isolation.

Wirklich besser und isolierend ist Diamant mit 1000–2500 W/(m·K) 
(fünfmal besser als Silber), aber der kommt nur für sehr kleine 
hochbelastete Dies, z.B. Laserdioden, in Frage.

Gebräuchlichere isolierende gute Wärmeableiter sind auch
Berylliumoxid BeO mit 300 W/(m·K)  (giftig),
sowie (kubisches) Bornitrid BN (teuer) mit der fünffachen 
Wärmeleitfähigkeit von Kupfer.

Bemerkenswert ist, dass die Kristallgitter aller dieser Stoffe die 
Wurtzitstruktur haben. Vielfach sind es auch nicht richtige Isolatoren, 
sondern Halbleiter mit grossem Bandabstand.
Im  Prinzip gleicht dieses Kristallgitter dem Diamantkristall (reiner 
Kohlenstoff), wobei die Gitterplätze aber abwechselnd von den beiden 
Atomsorten besetzt sind.
Der Namensgeber dieses Gitters, Wurtzit (Zinksulfid ZnS), wird m.W. 
nicht als Wärmeleiter verwendet, vermutlich wegen seiner geringen 
chemischen Beständigkeit. Wohl aber sein Geschwister das Zinkoxid ZnO, 
das in den Wärmeleitpasten, meist mit Silikonfett vermischt, enthalten 
ist.

Wichtig zu wissen ist, dass die Wärmeleitfähigkeit dieser Materialien 
mit steigender Temperatur deutlich abnimmt.


Das preiswerte Aluminiumoxid Al2O3, das als Substrat für manche 
Dickfilmschaltungen verwendet wird, ist ein vergleichsweise mässiger 
Wärmeleiter mit bestenfalls  40 W/(m·K) (als Saphir) eher aber 25 
W/(m·K) als Keramik.
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