Aufbau- und verbindungstechnisch optimierter Wärmepfad

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Das thermische Verhalten von Phasenwechselmaterialien

Die Materialtypen kombinieren die Vorteile hoher thermischer Leistungsfähigkeit zusammen mit der Zuverlässigkeit eines Phase Change Materials und mit der einfachen Aufbringung wie bei Wärmeleitpasten. Gegenüber Phase Change Folien und Wärmeleitpasten lassen sich um 25% bis über 50% verbesserte thermischen Widerstände erzielen. Materialmenge, Schichtdicke und Druckmuster beeinflussen den thermischen Widerstand als Ergebnis [9], [10], [11].

Einmal trocken wird das Material oberhalb der Phase Change Temperatur von ca. 45 °C weich und passt sich an die Oberflächen von Kühlkörper und Bauelement an. Beim Benetzen entweicht die Luft aus dem Bereich der Grenzschicht, was zur Verringerung der thermischen Impedanz führt. Die Matrix-Füller-Kombination schafft einen guten Wärmeübergang schon bei kaltem Material.

Dadurch dass die Phase Change Temperatur niedrig ist, findet die Oberflächenbenetzung früh statt, weshalb der thermische Kontakt bereits beim ersten Erwärmungsgang und Anlauf sehr gut ist. Ein ausgeprägtes thermisches Überschwingen kann dadurch vermieden und die Chips beim Hochlaufen geschont werden. Mit jedem weiteren Zyklus vollzieht sich eine iterative Verbesserung wobei Restluft entweicht. Für Kühlkörperoberflächen werden häufig von den Modulen abhängige Richtwerte z.B. Ebenheiten im Bereich ≤ 10 bis 50 µm und Rauigkeiten R_z ≤ 30 µm angegeben [4], [12]. Auch bei Abkühlung unter die Phase Change Temperatur bleibt der gute Wärmewiderstand erhalten.

Der Druckprozess von Phasenwechselmaterialien

Im Schablonen- und Siebdruck können weitaus bessere Ergebnisse als im Aufrollprozess erzielt werden [1]. Für das Layout von Druckbild und Schablone ist die genaue Kenntnis der Oberflächentopographie der Kontaktflächen, z.B. des Substrates oder der Bodenplatte entscheidend. Wabenstrukturen stellen die geometrisch beste Lösung dar, die den Einfluss von Luft in den Wärmeleitmaterialien weitestgehend verhindert [13]. Äquidistante Zellenabstände führen zur homogen geschlossenen Oberflächenbenetzung. Die Verteilung kann durch das Druckbild, das Volumen durch die Schablonendicke beeinflusst werden [14].

Bildergalerie

Bild 1 zeigt das mit Wabenstruktur durch eine Schablone mit Mehrfachnutzen auf einer Keramikplatte aufgetragene Material. Um optimierte, sehr dünne effektive Enddicken zu erzielen, werden meistens Schablonen mit Dicken von weniger als 100 μm verwendet.

In einem ersten Schritt kann das Rakel fluten, in einem zweiten Schritt wird beim Druck Überschussmaterial entfernt. Bild 2 zeigt den Druckvorgang.

Aufgrund der hohen Viskosität wird für die gute Füllung der Schablonenöffnungen und für ein gutes Abrollen eine niedrige Druckgeschwindigkeit und ein hoher Rakelruck [6] sowie ein angemessener Absprung bei niedriger Geschwindigkeit empfohlen. Bei Leistungsmodulen mit Schraubverbindungen an den Ecken kann es vorteilhaft sein, die Ecken nicht zu beschichten, da hier Metall-Metall Kontakte durch hohe Schraubkräfte entstehen [9] und für definiert hohe Vorspannungen und Wärmübergänge sorgen.

Standard FR4 Leiterplatten eignen sich durch ihren Kontrast gut zur Evaluierung des Druckbildes. Um die Schablonenstandzeit zu prüfen wurde ein zweiter Druck nach dreißig Minuten mit darauffolgenden weiteren Drucken durchgeführt. Alle 30 Minuten wurde die Druckqualität optisch auf Verwischen überprüft.

Bild 3 zeigt die Konturstabilität beim Druckvorgang von zwanzig Leiterplatten ohne Druckpausen und ohne Reinigung der Schablonenunterseite. In Bild 4 ist das Druckbild von für dreißig Minuten, eine und zwei Stunden ruhen gelassenen Leiterplatten und nach weiteren Drucken zu sehen.

Die Prozessparameter, u.a. Rakelgeschwindigkeit, Anstellwinkel, Abhebegeschwindigkeit, werden dokumentiert und bleiben bei jedem Druckprozess konstant. Damit wird eine gleichbleibende Qualität erzielt und die Reproduzierbarkeit gewährleistet [10].

Allerdings bietet die Verwendung dieser Phase Change Materialien selbst noch keine Gewähr für die Druckergebnisse, da falsche Parametereinstellungen der Druckmaschine oder die falsche Auswahl der Druckwerkzeuge qualitativ unbefriedigende Ergebnisse wahrscheinlich machen.

Für den Druck von Phase Change Materialien des Typs TPC-Z-PC-P lässt sich zusammenfassen:

• Sehr gute Druckfähigkeit der Materialtypen mit hoher Konturstabilität,

• Zwanzig aufeinanderfolgende Drucke ohne Schablonenreinigung sind für die meisten Druckapplikationen ausreichend,

• Zwei Stunden Schablonenstandzeit sind für die Massenproduktion ausreichend,

• Der Rückgang der Druckmenge während den Druckvorgängen ist vernachlässigbar,

• Hoher Druck, langsame Druckgeschwindigkeit, Absprung werden empfohlen,

• Geringe Materialverluste während des Trocknens von ca. 5 % durch Entweichen des Lösungsmittels werden durch Anpassen der Schablonendicke kompensiert,

• Modul bzw. Substrat, Schablone und Phase Change Material sollten als Einheit betrachtet, gemeinsam getestet und qualifiziert werden [13].

Fazit

Beim Einsatz von vorapplizierbaren Phase Change Materialien werden zahlreiche Vorteile erzielt [3]:

Es lassen sich ein optimaler thermischer Kontakt und die optimale Schichtdicke einstellen sowie der Wirkungsgrad verbessern und die Lebensdauer von Bauteilen verlängern.

Die Materialien können direkt vorappliziert werden auf thermisch aktive Oberflächen ohne Vorwärmung. Bedruckte Module, Substrate (Leiterplatten, Keramiken, Peltierelemente) lassen sich schnell und einfach montieren. Im Gegensatz zu Wärmeleitpasten wird das bedruckte Bauteil brührungstrocken gehandhabt. Schon vor dem ersten Erwärmungsvorgang entsteht ein optimaler Kontakt. Der Schablonen- oder Siebdruck garantiert eine hohe Reproduzierbarkeit des Verfahrens.

Kosten lassen sich durch das gezielte Aufbringen der Phase Change Materialien mit üblichen Druckverfahren einsparen. Artikelcodes, Teilenummern und Stanzwerkzeuge sind nicht notwendig. Im Falle einer Reparatur lassen sich die Materialien einfach entfernen und das Bauteil kann mittels Isopropylalkohol und Mikrofasertuch leicht gereinigt werden.

Literatur

[1] Esau, D. Strube, M: Wärmeleitpastenauftrag richtig gemacht, Elektronik Praxis Nr. 6, März 2010

[2] Schulz, M.: Thermal Interface, A Key Factor in Improving Lifetime in Power Electronics, Bodo´s Power Systems, 12-2012

[3] Power Modules with Phase Change Material, Vincotech AN 2012_07

[4] Module mit appliziertem thermischen Interface, Infineon, IFA IPC APS, AN No. 2012-07

[5] Pohl, W.: Optimizing the Thermal Behavior of Power Modules and Substrates with Printable Phase Change Compounds as a Pre-Applied Structural Design, PCIM, Nürnberg 2009

[6] Schulz, M., Pohl, W., Scott, T. A.: Optimizing Thermal Interface Material for the Specific Needs of Power Electronics, PCIM, Nürnberg 2012

[7] Esau, D.: Thermal Paste Application, Semikron AN-10-001

[8] Strube, M.: Wärmeleitpastenauftrag als Dienstleistung, Elektronik Praxis Nr. 10, Mai 2007

[9] Schulz, M.: The Challenging Task of Thermal Management, PCIM, Nürnberg 2011

[10] Schulz, M.: The Thermal Challenge, Bodo´s Power Systems, 10-2011

[11] Schulz, M.: Thermal Interface - The Flawless Solution, Bodo´s Power Systems, 07-2010

[12] Mounting instructions of EUPEC for IHM and IHV modules, EUPEC AN Note AN2004-05

[13] Schulz, M.: Herausforderung Thermisches Management, Elektronik Praxis, Nr. 14, Juli 2011

[14] Schulz, M.: Maximizing Precision in Thermal Interface Layers, Bodo´s Power Systems, 01-2013

* Dr. Wilhelm Pohl ist Geschäftsführer bei HALA Contec GmbH & Co. KG in Ottobrunn. Frank Aulenbacher ist ebenfalls dort tätig.

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