Thermische Auslegung in der Leistungselektronik

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1 Thermische Auslegung in der Leistungselektronik Thermisches Management mit siliconbasierten Interfacematerialien: Thermische Analyse und Methoden der Zuverlässigkeitsuntersuchung Vorgehensweise zur Auswahl von TIM-Materialien, Überblick über Mess- und Versuchsmethoden, Modelle zur Lebensdauervorhersage Referent: Prof. Dr. Andreas Griesinger, Dipl.-Ing. Robert Liebchen Stuttgart Stand Sept

2 Inhaltsverzeichnis Vorgehensweise zur Auswahl von TIMs Messmethode: ASTM D Absicherung der Eigenschaften über der Lebensdauer 2

3 Vorgehensweise zur Auswahl von TIMs Analyse Thermisch hoch belasteter Stellen / Kontaktstellen Ziel: Entwärmung und Zuverlässigkeit (Optimierung der AVT, Kontaktstelle (TIM), Kühlkörper, Leiterplatte, Reduzierung der Druck- und Zugbelastung usw.) Herstelltoleranzen (=> Gestaltabweichungen: z.b. Rauheit, Welligkeit, konkave und konvexe Verformungen, Kratzer, Grate, Verschmutzungen) Statistische Toleranzrechnung (Summe der geometrischen Fehler) => liefert die Spaltmaßanforderungen (Dicke TIM) Vorgaben der Halbleitertemperatur: maximaler thermischer Widerstand im Wärmepfad (R th TIM) => Auswahlparameter von TIMs A n f o r d e r u n g e n A p p l i k a t i o n TIM 3

4 Vorgehensweise zur Auswahl von TIMs Auswahlparameter von TIMs: elektrischen Isolationseigenschaften, Montagebedingungen TIMs in zwei Klassen: vorgeformt und dispensbar Vorgeformte TIMs: harte/weiche Pads, Phase Change Material (PCM), Gap Pads, Grafit-Folien. Zusätzliche klebende/haftende Beschichtung führt zu Erhöhung des thermischen Widerstandes Dispensbaren TIMs: Pasten, Gapfiller, Gele oder Klebstoffe. 4

5 Thermoelemente ZFW Ziel des Standards: Messung des thermischen Widerstands Rth in K/W. Berechnung der Wärmeleitfähigkeit λ in W/(mK) von elektrisch leitend und nicht leitenden Materialien. Stationäre Messmethode, bei der mit Hilfe eines eingeprägten Wärmestroms über das Fourier Gesetz die Wärmeleitfähigkeit λ berechnet wird. Schlüsselparameter der Messung: Q Wärmestrom = W oder J/s d Dicke der Probe = m Messmethode ASTM Referenzmaterial Probe Referenzmaterial Q Quelle Q Senke mechanischer Druck TYP 1 Viskose Materialien Pasten Flüssigkeiten Phase Change Material Spalt über Abstandshalter oder Berührungslos GEL Elastomere TYP 2 Elastische Materialien Anpressdruck: 0,069 MPa (10 PSI) - 3,4 MPa (500 PSI) TYP 3 Solid Materials Keramik Metalle Hartplastik Anpressdruck: 0,69 MPa (100PSI) 3,4 MPa (500PSI) Messkriterium TYP 1, 2 & 3: über 5 min ein T < ±0,1K, Therm. Widerstand < 1%, bei konst. Druck Messsystemanalyse: Messmittelfähigkeit ist wichtig (Normal, Eignung des Messmittels, Einfluss Bediener) 5

6 Messmethode ASTM Norm: Stationäre Zylindermethode gemäß ASTM D Messbereiche: Temperatur Probe : 10 C 60 C Anpressdruck : 0,5 20 bar, +/- 2% Probendurchmesser : 30 mm Probendicke : 0 20 mm Probenaufnahme : planparallel Messgenauigkeit: Rth bzw. Wärmeleitfähigkeit : typ. Wert +/- 6 % Probendicke : +/- 4 µm Temperatursensoren : +/- 0,1 K (kalibriert 0,01 K) Auflösung : < 1 mm 2 K/W Messmittelfähigkeit : MSA Verfahren 1 / 2 Zusätzliche Features (optional): Oberfläche Probenaufnahme : variabel (austauschbar) Material Probenaufnahme : variabel (austauschbar) Anpressdruck : konstant & variabel Proben Dickenmessung : insitu (+/- 4µm ) Messumgebung : optional Vakuum Gerätesteuerung : Software gesteuert Auswertung : konstant Spalt : konstant Druck : Fließverhalten Messmodi: : Festkörper : Pads : Pasten (spezielle Regelung) => Automatisches Protokoll Erstellung 6

7 Messmethode ASTM Für TIMs => Stationäre Zylindermethode Standard! TIMs aus Vorauswahl: Überprüfung der Datenblattwerte (Bulkwiderstand und Kontaktwiderstände). 7

8 RthxA in mm²k/w ZFW Messmethode ASTM Bestimmung Bulk-Wärmeleitfähigkeit: Referenzmaterial 1 Aus thermischem Widerstand bei verschiedenen Probendicken => Bulk-Wärmeleitfähigkeit Rth K1 Falls Kontaktwiderstand bezogen auf Gesamtwiderstand < 1% => effektive Wärmeleitfähigkeit: = Bulk-Wärmeleitfähigkeit Rth- Probe Bulk Probe Rth Bulk Paste y = 1277,6x + 34,079 0,0 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 Spalt in mm Schnittstelle y-achse: Referenzmaterial 2 RthxA [mm²k/w] Steigung 34, ,628 λ [W/mK] 0,78 Rth K2 Schnittpunkt y-achse: Summe der beiden Kontaktwiderstände. Messung von mindestens drei unterschiedlichen Probendicken Aufeinanderschichten einzelner Lagen ist möglich. Vorsicht: Event. zusätzliche Kontaktwiderstände. 2 x Kontaktwiderstand 8

9 Messmethode ASTM Typische Grenzwerte aus statistischer Toleranzrechnung: zwischen 14 und 38 % des absoluten Spaltmaßes. Die sich daraus ergebenden Toleranzen des thermischen Widerstandes unterscheiden sich schon zu Beginn um 20 %. Abb.: Messergebnis 1 mm Pad bei p = const. Konservative Auslegung: RthxA ca. 260 mm 2 K/W. Wie verändert sich der Rth im Betrieb? A n f o r d e r u n g e n A p p l i k a t i o n TIM 9

10 Absicherung der Eigenschaften über der Lebensdauer Typische Fehlermechanismen: Pump-out / Dry out: Effekt durch thermo-mechanische Belastung bei Pasten => Austreten von Ölen und Austrocknung des Materials => CTE-Mix: Ermüdungseinfluss zwischen BE/ Kühlkörper und TIM Delamination oder Risse: Abheben der Schicht bei Klebstoffen, Pads und Gelen. Schicht trennt sich durch mechanische Spannung (CTE!) => Feuchtigkeit kann eindringen oder diffundieren => Beschleunigt die Trennung => Hohe Temperaturen und Nachvernetzen: Versprödung des Materials durch Ausgasen der Weichmacher oder Nachhärtung, teilweise Unterbrechung der Makromolekülbindungen benachbarten Molekülen => Kohäsionsbruch, Adhäsionsbruch, Klebe- /Grenzflächenbruch Oxidation: bei hohen Temperaturen beschleunigt => Material wird fest, Risse und Lufteinschlüsse Vertical slide: Haftfähigkeit in vertikaler Einbaulage Agglomeration: Abscheidung von Materialbestandteilen in flüssiger oder fester Form 10

11 Überblick: Lebensdauertests TIM Eingangsprüfung (TIM-Tester) ASTM Vorkonditionierung Gleiche Ausgangslage THT PC HTS TC TGA Vibration 85 C, 85%r.F. 130 C, 85%r.F. T= C p= 0,5 5 Bar T= C T= C Aktivierungsenergie und therm. Zersetzung Norm speziell für TIMs gibt es nicht! Auswahl der Testverfahren nach Fehlermechanismen, Umwelteinflüssen oder Belastung. Applikationsnah: PowerCycle THT: temperature and humidity test; PC: power cycling; HTS: high temperature storage; TC: temperature cycling; TGA: thermogravimetric analysis 11

12 Zuverlässigkeitsprüfstand für TIM Lebensdauer von TIM unter applikationsnahen thermomechanischer Bedingungen: ZFW PowerCycling Prüfstand Lastwechseltest (~200 W) Temperaturwechseltest (Klimakammer) Verschiedene Regelstrategien - konst. P (ton, toff fest) - konst. ΔT (T min, T max, P Vorgabe) Verschiedene Einbausituationen Messung von stationären/ transienten Rths Bis zu 5 bar Flächenpressung Probenhalter 30 Ø Probenhalter: direkt in Klimakammer für Wärme-/Feuchtetest und Temperaturhochlagerung Heizfolie TIM Thermoelement 12

13 Lastwechseltest Test unter applikationsnahen, thermomechanischen Bedingungen: Temperaturerfassung mit 1 Hz Temperatur aktuell einstellbar von -40 bis 150 C Beispiel: Paste mit Zyklus -10 C / 140 C mit konst. P (P: 200 W / t on : 270s / t off : temperaturgesteuert bis -10 C) Temperatur über TIM Temperatur unter TIM T max ΔT= ~8 K (transient) 1 Zyklus T min 13

14 Lastwechseltest Lebensdauer von TIM unter applikationsnahen thermomechanischer Bedingungen: Beispiel transienter Verlauf: Paste, PCM mit Zyklus -10 C / 140 C mit konst. P: 200 W ( t on : 270 s / t off : temperaturgesteuert bis -10 C) Der Vergleich mit aktuellen Datenblättern zeigt, dass das PCM meist unter konstanten 125 C getestet wird und dabei die besten Ergebnisse zeigt Unter einem schnellen Temperaturwechsel aber die schlechtesten Ergebnisse zeigt! 14

15 Einbausituationen: Einfluss CTE und Test auf Lebensdauer Vergleich einer Einbausituation Druck oder Spalt konstant: Thermische Längenausdehnung am Beispiel ZFW- Probenhalter mit Abstandshalter oder Federelement Mit Abstandshalter Ohne Abstandshalter Mit Federelement => Spaltänderung im TIM =>Spaltänderung im TIM => Kraftänderung => Zugkräfte bei Abkühlung => keine Längenausdehnung im TIM 15

16 Einbausituationen: Einfluss CTE und Test auf Lebensdauer Thermische Längenausdehnung am Beispiel ZFW- Probenhalter mit Abstandshalter (im Lastwechseltest thermisch entkoppelt) oder Federelement Achtung: Keine thermische Entkopplung im TW-Test Ausdehnungen von Probenhalter, Abstandshalter kompensieren sich 16

17 Vibration Prüfstand zur mechanisch schwingenden Belastung: Frequenzen von 1 bis 400 Hz > 50 Hz Reduzierung der Amplitude Amplitude max. 90 µm Beschleunigung 13,8 m/s 2 Gleichzeitige Messung von Rth Temperaturbereich: bis ca. 80 C im TIM Video zeigt TIM im 2 mm Spalt Frequenzen zufällig 17

18 Testergebnis 18

19 Zusammenfassung Begin of Life: ASTM 5470 Messung mit dem TIM-Tester Spalt- oder Druckkonstant, BLT, Relaxations- und Retardationsverhalten End of Life: Empfohlene Methoden einer Einzeluntersuchung für TIM: Lastwechsel / Power Cycling: Zyklenfestigkeit und Ausdehnungskoeffizienten (Nah an Applikation) => Zyklusmöglichkeiten: 20/100 II -40/80 II -40/125 II -40/150 C II 1 Zyklus unter 10 min möglich. => Einstellbare Steigungen bei Heizung und Kühlung (Anpassung an Applikation und beschleunigte Alterung möglich) Nachbildung der realen Spaltänderung (Situation mit den dazugehörenden Zug- und Druckkräften (mit / ohne Abstandshalter oder Federelement) Weitere einstellbare Parameter: Flächenpressung, Flächengröße, Rauheit, TIM Dicke, Umgebung Weitere mögliche Untersuchungsmethoden Temperaturwechsel: Ausdehnungskoeffizienten TGA: Thermische Zersetzung (chemisch-kinetische Parameter) THT: (Wärme und Feuchte): Chemische Reaktionen HTS: (Temperaturhochlagerung): Eigenschaftsänderung (Dauerlast) 19