Thermische Metalle vs. Technische Keramik: Die wirklichen thermischen, elektrischen und Zuverlässigkeitsunterschiede

Das Wärmemanagement ist zweifellos ein entscheidender Faktor in der heutigen Halbleiter-, Leistungsmodul- und Photoniksystemindustrie. Unabhängig davon, ob Silizium, Siliziumkarbid oder Galliumnitrid verwendet wird, wird eine höhere Betriebseffizienz, Schaltgeschwindigkeit und Integrationsdichte angestrebt. Es stellt sich jedoch die Frage, ob die derzeitigen Lösungen zur Wärmeableitung aus Metall noch ausreichen. Schließlich sind technische Keramiken, die einst als seltene Materialien galten, heute zunehmend unverzichtbar. Im Folgenden untersuchen wir die wahren Unterschiede zwischen wärmeleitenden Metallen und technischer Keramik in Bezug auf die thermische Leistung, die elektrische Leistung und die langfristige Zuverlässigkeit.

Thermisches Verhalten: Leitfähigkeit vs. Effizienz des thermischen Pfades

Metalle: Große Leiter, unvollkommene Systeme

Kupfer und Aluminium sind auf dem Papier unglaublich effiziente Wärmeleiter.
Doch bei Halbleiteranwendungen ist die Wärmeleitfähigkeit allein nicht die Lösung des eigentlichen Problems.

Warum?
Da die elektrische Leitfähigkeit von Metall die Ingenieure zwingt, eine dielektrische Schichten-Beschichtungen, Folien, Wärmeleitpads - alle erhöhen den Wärmewiderstand. Das Ergebnis ist ein Wärmepfad, der weniger effizient ist, als die rohen Leitfähigkeitszahlen vermuten lassen.

Metalle leiten Wärme extrem gut,
aber das System um sie herum tut es nicht.

Keramiken: Geringfügig niedrigere Leitfähigkeit, bessere Kühlung in der Praxis

Technische Keramiken wie Aluminiumnitrid (170-230 W/m-K) oder Siliziumkarbid (120-200 W/m-K) kann zwar nicht mit reinem Kupfer mithalten, aber der gesamte Wärmeweg erzählt eine andere Geschichte:

Sie erfordern keine elektrische Isolierschicht
Sie können platziert werden direkt unter der Matrize
Ihre Oberflächen verbinden sich stark mit Lot und Metallisierung
Ihre Wärmeausdehnung entspricht der von Si, SiC und GaN.

In realen thermischen Stapeln schneiden Keramiken oft besser ab als Metalle, weil sie zusätzliche Schnittstellen beseitigen.

Mit anderen Worten:
Metalle leiten Wärme gut ab. Keramik leitet Wärme besser ab.

Elektrische Leistung: Intrinsischer Isolator vs. Notwendige Haftung

Metalle: Von Natur aus leitfähig

In der Leistungselektronik und in Hochspannungsanlagen ist die Leitfähigkeit von Metall ein zweischneidiges Schwert.

Jede Metallplatte, jeder Kühlkörper und jeder Spreizer ist erforderlich:

Dielektrische Beschichtungen
Isolierkissen
Materialien zum Vergießen
Dielektrische Öle oder Fette

Mit jeder Schicht kommen weitere Fehlermöglichkeiten hinzu - Bruch, Delamination, thermische Alterung.

Besonders problematisch wird dies in:

Hochspannungs-SiC-Module
RF- und Mikrowellenverstärker
Kfz-Wechselrichter
Laserpakete und Photonik

Keramiken: Wärmeleiter, die keinen Strom leiten

Die technische Keramik ist in einer einmaligen Position:
Sie leiten die Wärme ab und blockieren gleichzeitig den Strom.

Diese einfache Kombination bringt starke Designvorteile mit sich:

Integrierte Isolierung (keine zusätzlichen Schichten)
Einfachere Stapelung
Geringere parasitäre Kapazität
Höhere Durchschlagsfestigkeit
Bessere Leistung bei hohen Frequenzen

Für HF-Ingenieure, Geräteentwickler und Architekten von Hochspannungsmodulen wird Keramik zu einem Material, das nicht nur kühlt, sondern auch die elektrische Umgebung stabilisiert.

Verlässlichkeit: Der oft übersehene, aber entscheidende Unterschied

Metalle: Das Problem der Fehlanpassung

Halbleitermaterialien wie Si, SiC und GaN haben kleine Wärmeausdehnungskoeffizienten.
Metalle... nicht.

Material	CTE (ppm/°C)
Silizium	~2.6
SiC	~4.2
AlN	~4.5
Kupfer	~17
Aluminium	~23

Jeder thermische Zyklus belastet Lötstellen, Keramik, Leitungen und das Silizium selbst.
Über Tausende von Zyklen führen Metalle ein:

Rissbildung
Ermüdung des Lötzinns
Verzug
Delamination
Abheben von Bindedraht

Dies ist die Hauptursache für langfristige Modulausfälle.

Keramiken: Entwickelt für Kompatibilität und Stabilität

Keramiken “atmen” fast genauso schnell wie Halbleitermaterialien.

AlN passt bemerkenswert gut zu Silizium.
SiC passt genau zu SiC-Geräten.
Hochreines Aluminiumoxid funktioniert zuverlässig bei Designs mit mittlerer Leistung.

Diese Kompatibilität macht die Keramik zu einem strukturellen Vorteil:

Geringere mechanische Belastung
Höhere Zuverlässigkeit bei Stromschwankungen
Bessere Überlebensfähigkeit bei 150-300°C
Keine Oxidation oder Korrosion
Keine Erweichung oder Kriechbewegung

Zuverlässigkeitsingenieure kennen diese Wahrheit nur zu gut:
Das Gehäuse versagt in der Regel vor dem Gerät - und Keramik verschiebt diesen Fehlerpunkt viel weiter nach außen.

Abschließende Betrachtung: Metalle kühlen Geräte, Keramiken bewahren sie

Thermische Metalle werden immer einen Platz bei der Kühlung auf Systemebene haben - Kühlkörper, Gehäuse und flüssigkeitsgekühlte Platten.
Aber im Inneren des Halbleitermoduls, wo sich thermische, elektrische und mechanische Anforderungen überschneiden, Technische Keramik bietet eine ausgewogene, zuverlässige und zukunftssichere Lösung.

Metalle sind thermische Werkzeuge.
Keramik ist eine technische Wärmeplattform.

Und da sich die Gerätearchitekturen weiter entwickeln, sind Keramiken nicht nur ein Upgrade, sondern werden zur Standardgrundlage für die nächste Generation der Halbleiterleistung.