Rogers ist seit vielen Jahren ein etablierter Anbieter von Wärmemanagement-Lösungen nicht nur für Leistungselektronik. Welche Bedeutung hat die Entwicklung von Curamik DirectCool für das Unternehmen und wie fügt sich das Produkt in die strategische Ausrichtung ein?
Rogers hat schon immer den Standard und Takt für die Leistungssubstrate gesetzt. Mit DirectCool knüpfen wir daran an: keine bloße Produktvariation, sondern die nächste Produktplattform für die Leistungsmodule von morgen. Möglich wurde das durch mehr als 25 Jahre Erfahrung in Leistungssubstraten und Mikrokanal-Kühlerdesigns – und durch die Co-Entwicklung mit unseren Kunden. Genau solche Schritte sind für uns entscheidend: Wir lösen Kundenprobleme, ohne Skalierbarkeit, Nachhaltigkeit und Kosteneffizienz aus dem Blick zu verlieren. Das Marktfeedback bestätigt diesen Kurs: Erste Design-ins und Pilotprojekte laufen – klarer Rückenwind für unseren Plattformansatz.
Mit dem zunehmenden Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern steigen Leistungsdichte und Schaltfrequenzen deutlich an. Welche thermischen Grenzen stoßen klassische Kühlkonzepte und welchen Beitrag kann DirectCool hier leisten?
Das ist richtig, SiC verschiebt die Grenzen und damit die Anforderungen an die Kühlleistung deutlich. Gepaart mit dem Trend und Wunsch unserer Kunden der Miniaturisierung ist das ein großes Problem und das volle Potential der SiC-Technologie ist gehemmt durch die Leistungsfähigkeit der heutigen Kühlssysteme. Wir sehen daher viele Anstrengungen unserer Kunden diesen neuen Anforderungen gerecht zu werden. Die Ergebnisse sind jedoch ernüchternd und deutliche Steigerungen in der Kühleffizienz bleiben mit den klassischen Systemen aus. Doppelseitige Kühlung stellt eine mögliche Alternative, ist aber komplex, teuer und benötigt mehr Bauraum und Materialien. Warum ist das so? Klassische Kühlstrukturen sind limitiert die Kühleffizienz noch weiter zu steigern und sind daher auf Wärmespreizung angewiesen was zur Konsequenz führt, dass die Komponenten größer werden müssen, entgegen dem Trend der Minituarisierung. Genau hier setzt DirectCool an: Wir steigern die Kühleffizienz gezielt nahe der Wärmequelle und sind weniger abhängig von der Wärmespreizung. So konnten wir in vielen Fällen durch Simulationen nachweisen, dass unsere Lösung so effizient ist wie eine doppelseitige Kühlung, mit dem Unterschied, dass wir nicht mehr Aufbauvolumen und Materialien dafür benötigen, sondern weniger.
Mit dem zunehmenden Einsatz von SiC-Leistungshalbleitern steigen Leistungsdichte und Schaltfrequenzen deutlich an. Welche thermischen Grenzen stoßen klassische Kühlkonzepte und welchen Beitrag kann Curamik DirectCool hier leisten?
Warum ist das so? Klassische Kühlstrukturen sind limitiert, die Kühleffizienz noch weiter zu steigern und sind daher auf Wärmespreizung angewiesen, was dazu führt, dass Komponenten größer werden müssen – ein Widerspruch zum Trend und Wunsch der Miniaturisierung. Genau hier setzt DirectCool an: Wir steigern die Kühleffizienz gezielt nahe der Wärmequelle und sind weniger abhängig von der Wärmespreizung. So konnten wir in vielen Fällen durch Simulationen und Messungen nachweisen, dass unsere Lösung so effizient ist wie eine doppelseitige Kühlung, mit dem Unterschied, dass wir nicht mehr Aufbauvolumen und Materialien dafür benötigen, sondern weniger.
Ein zentrales Merkmal von DirectCool ist die Integration des Micro Channel Coolers direkt in das Substrat. Welche technologischen Vorteile ergeben sich daraus und welche Hürden mussten im Entwicklungsprozess überwunden werden?
Im Vergleich zu klassischen Kühlertechnologien erschließt uns die Mikrokanal-Kühlerfertigung einen dritten Freiheitsgrad im Substratdesign: ähnlich wie beim 3D-Druck können wir im gleichen Bauraum mehr aktive Oberfläche bereitstellen, die Strömungen so führen, dass gezielte Turbulenzen und damit höhere Kühleffizienz nahe der Wärmequelle generiert wird; die anfängliche Herausforderung bestand darin, ein Design und ein Konzept zu entwickeln, die die klassischen Barrieren für die Implementierung von Mikrokanalkühlern adressieren – etwa den im Automotive üblichen Druckabfall von 100 bis 200 mbar sowie Partikelgrößenanforderungen ≥ 1 mm, die einen Mikrokanalkühler faktisch zum Makrokanalkühler machen; Zugleich mussten wir beim Konzept die Kosten und späteren Qualitätsanforderungen berücksichtigen, wie die Sicherstellung einer durchgängigen vernickelten Kühloberfläche. Aber noch viel wichtiger, unser Ziel war es dem Kunden die Verarbeitung in seinen bestehen Fertigungslinien zu erleichtern. Mit den ersten Pilotkunden konnten wir das bereits 2023 erfolgreich demonstrieren und bestätigen.
Welche Rolle spielten Partner wie das Fraunhofer-Institut – und auch Kunden – bei der Entwicklung?
Strategische Partnerschaften mit Instituten wie dem Fraunhofer sowie Kooperationen mit Universitäten sind seit jeher ein zentraler Bestandteil unserer Entwicklungsarbeit. Sie ermöglichen es uns, neue Ideen effizient vom Konzept bis hin zum Prototyp umzusetzen. Noch entscheidender ist jedoch die frühe Einbindung unserer Kunden. Insbesondere bei einer Vorwärtsintegration ist das Feedback und die enge Abstimmung mit den Kunden unerlässlich, um am Ende ein Produkt zu entwickeln, das nicht nur technisch überzeugt, sondern auch die notwendige Akzeptanz am Markt findet. Natürlich gehen solche Partnerschaften mit Herausforderungen im Hinblick auf Know-how- und Wissenstransfer einher. Wir sind jedoch überzeugt, dass eine enge Zusammenarbeit deutlich mehr Chancen als Risiken bietet. Letztendlich ist es unser Ziel, sicherzustellen, dass wir an Produktideen arbeiten, die unseren Kunden klare Vorteile bieten – sei es in Bezug auf Performance, Qualität oder Kosten.
Wenn Sie den Blick in die Zukunft richten: Welche weiteren Schritte sind für die Weiterentwicklung von Curamik DirectCool geplant und welche Rolle wird diese Technologie im Markt für SiC-basierte Leistungselektronik einnehmen?
Generell ist der Wunsch nach integrierten Kühlern nicht neu, scheiterte jedoch bislang häufig an einer wirtschaftlichen und praktischen Umsetzung. In den letzten zwei Jahren lag unser Fokus daher auf der Entwicklung einer effizienten Fertigungslösung und der Validierung der Leistungsfähigkeit unter realen Bedingungen. Umso beeindruckender waren die Reaktionen der Kunden auf der diesjährigen PCIM Nürnberg, als funktionale Modul-Demonstratoren mit unglaublichen Leistungsdichten präsentiert wurden. Derzeit arbeiten wir eng mit ausgewählten Pilotkunden zusammen, um die Systemzuverlässigkeit und die Lebensdauer umfassend zu bewerten. Unser Ziel ist es, ab 2028 erste Fahrzeuge damit auszustatten. Aus unserer Sicht ist DirectCool die logische Weiterentwicklung der Substrat- und Leistungsmodularchitektur. Zudem stehen wir erst am Anfang dieser Entwicklung – das Potenzial für Verbesserungen und neue Anwendungen ist enorm und bietet daher spannende Möglichkeiten, die Zukunft der Leistungselektronik mit unseren Kunden nachhaltig zu gestalten.
