Das Problem – thermomechanische Spannungen zerstören Verbindungen
In der Leistungselektronik sind Halbleiter-Chips, Substrate und Gehäuse durch Löt- oder Bondingverbindungen miteinander verbunden. Jeder Temperaturwechsel im Betrieb erzeugt mechanische Spannungen, weil sich die verschiedenen Materialien unterschiedlich stark ausdehnen. Kupfer-Grundplatten mit einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 × 10⁻⁶/K dehnen sich erheblich stärker aus als keramische Substrate oder Halbleitermaterialien. Die Folge ist eine thermische Ermüdung – Spannungen, die sich mit jedem Lastzyklus aufbauen und schließlich zur Delaminierung der Lötverbindung führen.
Dies ist kein theoretisches Risiko. In einer Vergleichsstudie zum Thermoschockverhalten (-40 °C bis +125 °C) zeigten Kupfer-Grundplatten bereits nach 1.000 Zyklen deutliche Delaminierungsschäden. Aluminiumgraphit-Grundplatten von Schunk Carbon Technology zeigten auch nach 2.000 Zyklen keinerlei Schäden.
Die Lösung – Aluminiumgraphit mit angepasstem CTE
Aluminiumgraphit (ALG) ist ein Metallmatrix-Verbundwerkstoff, dessen thermischer Ausdehnungskoeffizient exakt auf die umgebenden Halbleitermaterialien und Substrate abgestimmt ist. Er kombiniert eine hohe Wärmeleitfähigkeit mit einer geringe Dichte – beides Eigenschaften, die Kupfer und andere konventionelle Wärmesenkenwerkstoffe nicht in dieser Kombination bieten.
Der entscheidende Vorteil gegenüber Kupfer: Aluminiumgraphit überträgt Wärme schneller und verteilt sie gleichmäßiger – bei deutlich geringerem Gewicht und mit einem CTE, der zu den angrenzenden Materialien passt, statt gegen sie zu arbeiten.
