Verständnisfrage für Powermodule

Tobias schrieb:

2. Warum befindet sich auch Cu auf der Unterseite des Substrates? Es ist keine elektrische Leitfähigkeit notwendig (und auch nicht gewollt).

Das Cu verteilt die Wärme gleichmäßig über die ganze Fläche, so dass Hot-Spots vermieden werden und damit die Fläche maximal gleichmäßig für die Wärmeübertragung genutzt wird.

Kupfer ist ein guter Wärmeleiter und wird gerne zur Wärmeverteilung genommen, z.B. Kochtöpfe mit Kupferboden.

Rainer W. schrieb:

Tobias schrieb:

2. Warum befindet sich auch Cu auf der Unterseite des Substrates? Es ist keine elektrische Leitfähigkeit notwendig (und auch nicht gewollt).

Das Cu verteilt die Wärme gleichmäßig über die ganze Fläche, so dass Hot-Spots vermieden werden und damit die Fläche maximal gleichmäßig für die Wärmeübertragung genutzt wird.

Ah verstehe, das macht Sinn.

Wie muss ich mir das vorstellen?

Die Wärme vom Chip wird auf die obere Cu Schicht übertragen. Durch den hohen K (Wärmeleitfähigkeits) Wert fällt es der Wärme leicht sich im Cu zu verteilen. Das Cu überträgt die Wärme dann an die Keramik und diese leitet die Wärme dann über die unter Cu Schicht weiter an die Baseplate. Mein Verständnis so korrekt?

Sind dann folgende Schlussfolgerungen richtig?

1. Der K Wert von Keramik (natürlich abhängig davon welche Keramik genau)ist deutlich schlechter als der von Kupfer, deswegen muss die Keramik mehr Volumen haben um die ankommende "Wärmemenge" aufnehmen und weiterleiten zu können

2. Die Keramik ist für die elektrische Isolation notwendig.

3. Der CTE hat thematisch damit erstmal nichts zu tun bzgl. der Wärmeleitfähigkeit. Der CTE wird dann relevant, wenn es um den internen Stress durch Ausdehnung geht, richtig?

Tobias schrieb:

Die Wärme vom Chip wird auf die obere Cu Schicht übertragen.

Die obere CU-Schicht dient vor allem der Stromweiterleitung.

Tobias schrieb:

Warum befindet sich auch Cu auf der Unterseite des Substrates?

Stichwort "unterschiedliche Wärmeausdehnung" und "Bimetall": die untere CU-Schicht ist aus Symmetreigründen dafür da, dass sich die "Durchbiegung oben" und die "Durchbiegung unten" idealerweise aufheben.

Tobias schrieb:

Der K Wert von Keramik (natürlich abhängig davon welche Keramik genau) ist deutlich schlechter als der von Kupfer, deswegen muss die Keramik mehr Volumen haben um die ankommende "Wärmemenge" aufnehmen und weiterleiten zu können

Wenn etwas irgendwas anderes schlecht leitet, dann muss es möglichst dünn sein, damit es keinen übermäßigen Widerstand ausübt. Oder andersrum: weil Keramik schlecht leitet, dann sollte aus thermischer Sicht seine Schichtdicke idealerweise gegen 0 gehen. Weil sie aber zugleich der isolierende und stabilisierende Träger der Schaltung ist, braucht sie eine Mindestdicke.

• https://www.keramverband.de/brevier_dt/5/4/5_4.htm

Lothar M. schrieb:

Tobias schrieb:

Die Wärme vom Chip wird auf die obere Cu Schicht übertragen.

Die obere CU-Schicht dient vor allem der Stromweiterleitung.

Tobias schrieb:

Warum befindet sich auch Cu auf der Unterseite des Substrates?

Stichwort "unterschiedliche Wärmeausdehnung" und "Bimetall": die untere CU-Schicht ist aus Symmetreigründen dafür da, dass sich die "Durchbiegung oben" und die "Durchbiegung unten" idealerweise aufheben.

Tobias schrieb:

Der K Wert von Keramik (natürlich abhängig davon welche Keramik genau) ist deutlich schlechter als der von Kupfer, deswegen muss die Keramik mehr Volumen haben um die ankommende "Wärmemenge" aufnehmen und weiterleiten zu können

Wenn etwas irgendwas anderes schlecht leitet, dann muss es möglichst dünn sein, damit es keinen übermäßigen Widerstand ausübt. Oder andersrum: weil Keramik schlecht leitet, dann sollte aus thermischer Sicht seine Schichtdicke idealerweise gegen 0 gehen. Weil sie aber zugleich der isolierende und stabilisierende Träger der Schaltung ist, braucht sie eine Mindestdicke.

• https://www.keramverband.de/brevier_dt/5/4/5_4.htm

Hallo Lothar,

super erklärt. Vielen Dank dafür

Jetzt habe ich aber noch eine Frage:

OEMs fordern, dass das Substrat mit Silber metalisiert wird bevor es dann auf die Baseplate gebondet wird.

Kann sich jemand erklären warum das so ist? Was bringt die Ag Metalisierung bzw. wo wäre das Problem direkt das Kupfer auf die Baseplate zu bonden?

Tobias schrieb:

OEMs fordern, dass das Substrat mit Silber metalisiert wird bevor es dann auf die Baseplate gebondet wird.

Kann sich jemand erklären warum das so ist?

Frag dazu am Besten den OEM. Ich könnte mir vorstellen, das eine chem. aufgebrachte, stromlose Versilberung gut haftet, so das sich das nicht irgendwann im Ganzen ablöst. Wenn das Konstrukt bspw. für Automotive verwendet werden soll, dann muß es halt auch Vibrationen abkönnen. Du kannst dann ja nicht mehr die Keramik mit 2K irgendwo anpappen, sondern nur noch die Metallisierung, die das dann auch halten muß.

Lothar M. schrieb:

Der K Wert von Keramik (natürlich abhängig davon welche Keramik genau) ist deutlich schlechter als der von Kupfer, deswegen muss die

Naja, AlN ist nun auch nicht so sehr viel schlechter als Kupfer. Nur 1/3 schlechter, und kommt damit etwa dem Al selbst gleich. Aber wer es auf die Spitze treiben will, der nehme Diamant ;-) Wenn ich mich noch recht erinnere, sogar besser als Cu.