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Lebensdauerbetrachtung

Auswahl und Zuverlässigkeit thermischer Interface-Materialien

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Anbieter zum Thema

DHBW Duale Hochschule Baden-Württemberg Lörrach
MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

Ein spezieller Regelalgorithmus für Pasten

Für Pasten wurde am ZFW ein spezieller Regelalgorithmus entwickelt, um die Wärmeleitfähigkeit und den Kontaktwiderstand zu bestimmen. Außerdem kann gezeigt werden, wie die Paste unter Druck reagiert und welche minimale Dicke (bond line thickness) tatsächlich erreichbar ist. Ein weiterer Messmodus wurde für Phase Change Materialien entwickelt. Erstmalig lässt sich damit exakt das Aufschmelzen mit der dazugehörigen Spalt- und thermischen Widerstandsänderung untersuchen. Festkörper wie Keramiken und Klebstoffe werden unter kontrolliertem Kontaktwiderstand unter erhöhtem Druck (15 bis 25 bar) gemessen.

Im folgenden Schritt beginnt die Lebensdaueruntersuchung der ausgewählten TIMs. Zunächst muss deren Einsatzbereich und die Umweltbelastung näher betrachtet werden. Es stellt sich die Frage nach der Art der Belastung (Zyklus- oder Dauerlast). Kann Feuchte eindringen? Wird während der Montage durch einen Schweißprozess am Produkt eine kurzfristige hohe Temperatur im TIM erzeugt und welchen Einfluss hat dies auf die Lebensdauer? Je nach Anwendung, Materialkombination und Umweltbelastung kommen beschleunigte Alterungstest in Frage. Dazu gehören etwa die thermogravimetrische Analyse, der Lastwechseltest, der Temperaturwechseltest, der Wärme- und Feuchtetests und die Temperaturhochlagerung.

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Bei der thermogravimetrischen Analyse (TGA) nach ASTM E1641 und ASTM 1877 wird das TIM in einer Stickstoffatmosphäre von 20 bis 1100 °C erwärmt und dabei der Masseverlust gemessen. Wird dies bei vier verschiedenen Heizraten durchgeführt, lässt sich aus den Messkurven die Aktvierungsenergie bestimmen. Die thermische Materialzersetzung kann durch einen Arrhenius-Zusammenhang dargestellt werden.

Daraus kann der Temperaturindex TI (Temperatur für eine Dauerlast von 20.000 h) und das Halbzeitintervall HIC (Temperaturerhöhung von TI in K für 10.000 h) berechnet werden. Das HIC liegt für viele Arten von TIMs in der Größenordnung von 8 K. Außerdem können über die lineare Schadensakkumulationen Profile für wiederkehrende, zyklische Lasten und kurze maximale Temperatureinflüsse wie Schweißvorgänge berechnet und somit die Lebensdauer für eine thermische Belastung bestimmt werden.

Aus dem Datenblatt wird die Dauergebrauchstemperatur als Hinweis für die Lebensdauer angenommen. Diese wird typischerweise vom Hersteller mit einer thermogravimetrischen Analyse durchgeführt. Es wird die Zersetzungstemperatur bei einem Masseabbau von 10% und einer Heizrate von 10 K/Min minus 150 °C angegeben. Diese Vorgehensweise kann in manchen Fällen zu einer Lebensdauer unter einem Jahr führen. Deshalb ist es empfehlenswert die chemisch-kinetischen Parameter vollständig auszuwerten.

Bild 5 zeigt die Ergebnisse einer thermogravimetrischen Analyse. Es wird aus der gemessenen Aktivierungsenergie die Lebensdauer über der Probentemperatur dargestellt. Aus dieser Kurve lässt sich der TI und das HIC bestimmen. Die gestrichelte Linie verdeutlicht die Messunsicherheit. Aus diesem Ergebnis sind erste Profile für weitere aktive und passive Umweltsimulationen berechenbar.

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