Thermo-Management mit Wärmeleitmaterialien Leistungshalbleiter mit thermisch leitenden Elastomeren entwärmen

Zunehmende Leistungsdichten, Kostendruck und eine damit einhergehende Ausnutzung der robusten Eigenschaften moderner Leistungshalbleiter machen heute elektrische und thermische Systemoptimierungen notwendig. Der Beitrag gibt einen Überblick zu den Möglichkeiten des thermischen Managements. Favorit bei der Entwärmung von Halbleitern sind derzeit thermisch leitende Elastomere.

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Steigender Wärmestrom (definiert als Leistung pro Flächeneinheit oder Leistungsdichte) beschränkt sich nicht nur auf Mikro- und Serverprozessoren. Dieser allgemeine Trend bezieht sich sowohl auf eine Vielzahl kommerzieller Leistungshalbleitertypen als auch auf integrierte Schaltungen und umfasst Bauteile, die aus Silizium, Siliziumcarbid, Galliumarsenid oder anderen Halbleitermaterialien hergestellt sind.

Gerade bei leistungselektronischen Systemen stellt die Temperatur einen zentralen Parameter dar, da viele Eigenschaften der Leistungshalbleiter stark temperaturabhängig sind. So kann z.B. ein Überschreiten der maximalen Sperrschicht-Temperatur bei Halbleiter-Bauelementen zur Zerstörung oder dauerhaften Schädigung des Bauelements führen.

Abgeführte Wärme pro Flächeneinheit

Ebenso muss die Temperaturwechselbelastung beachtet werden. Jeder Temperaturwechsel verursacht mechanische Spannungen im Bauelement, die vor allem die Löt- und Bond-Verbindungen belasten. Ausschlaggebend für die Lösung des Wärmeproblems in einem Halbleitergerät oder -modul ist die abgeführte Gesamtwärme. Der Wärmestrom als Maß für die abgeführte Wärme pro Flächeneinheit ist der kritische Wert auf Makrolevel und bestimmt die Ausfallsicherheit des Gerätes. Hot Spots mit äußerst hohen Wärmeströmen sind für das Heatmanagement in Prozessor-, HF-, Hochbandabstands- und anderen Halbleiterbauelementen sowie High-Power LEDs von großem Interesse.

Im Zuge einer kostenoptimierten Schaltungsauslegung gewinnt auch der Verlauf der Chip- oder Junction-Temperatur an Bedeutung. So kann bei temporären Überlasten, wie sie beispielsweise beim Schalten von Lampen und Motoren auftreten, auf manche Überdimensionierung verzichtet werden, wenn die kurzfristig überhöhte Verlustleistung durch geeignet angekoppelte Wärmekapazitäten abgefangen werden kann.

Möglichkeiten des thermischen Managments

Leistungslektronische Baugruppen werden über thermisch leitfähige Materialien entwärmt. Unter anderem werden hierzu metallische Kühlkörper oder das Gehäuse selbst verwendet. Diese bestehen meist aus Aluminium oder Kupfer und werden an die verlustleistungserzeugenden Bauelemente thermisch angekoppelt. Die Kühlkörper spreizen die Wärme über eine im Vergleich zum Bauelement große Fläche auf und geben diese dann an ein umgebendes Medium, wie z.B. Luft, ab. Sind mehrere Bauelemente zu kühlen, müssen diese aufgrund der elektrischen Leitfähigeit der Kühlkörper – elektrisch voneinander isoliert, aber zum Kühlkörper thermisch gut leitfähig montiert werden. Allzu oft wird hier dem Werkstoff für das thermische Interface (Thermal Interface Material - TIM) in der Entwicklungsphase zu wenig Beachtung geschenkt.

Als Wärmeleitmaterialien werden elektrisch isolierende oder elektrisch leitende Folien, aber auch Glimmerscheiben oder Keramikplättchen zwischen die zu kühlenden Bauelemente und dem Kühlkörper eingebracht. Befestigt werden die passiven und aktiven elektronischen Bauelemente auf den Kühlelementen durch Verschrauben, Verklammern, Einbetten in Kunststoffe oder durch Verkleben. Daneben kann auch ein einzelner Transistor mit einem Kühlblech als „Insellösung“ auf der Platine befestigt werden. Thermisch leitfähige Materialien können durch die Wahl der Füllstoffgeometrie isotropes oder auch anisotropes Wärmeleitverhalten aufweisen. Die Werkstoffe unterteilen sich hierbei in Elastomere, Thermoplaste und Duroplaste, auch Metallfolien oder Grafite finden Anwendung.

Thermisch leitende Elastomere

Bestens zur Entwärmung von Leistungselektronik-Modulen eignen sich thermisch leitende Elastomere, insbesondere das sehr weiche Silikon. Der Vorteil hierbei: es ist alterungsbeständig, mechanisch belastbar, flexibel und kompressibel. Auflaufende Summentoleranzen von aneinander gekoppelten Bauteilen können somit ausgeglichen werden. Silikone sind sehr gut mit wärmeleitenden Keramikpartikeln füllbar und werden daher bevorzugt in der Leistungselektronik eingesetzt. Häufig verwendete Füllstoffe sind hier Aluminiumoxid, Aluminiumnitrit und Bornitrit.

Ein Werkstoff, der auf Temperaturveränderungen reagiert, ist das sogenannte Phase Change Material. Ab einer definierten Temperatur (50 bis 60 °C) vollzieht dieses einen Phasenwechsel. Im weichen Zustand expandiert es und benetzt oberhalb der Phasensprung-Temperatur die unvermeidbare Rauigkeit einer Oberfläche. Dabei werden Lufteinschlüsse aus den Mikroporen ausgetrieben und die Benetzung der Kontaktflächen zusätzlich verbessert.

Auch die Zunkunft braucht Wärmemanagement

Gerade im Bereich der Leistungselektronik fordern viele Zukunftstechnogien ein ausgeklügeltes Wärmemanagement. So sichern Wärmeleitfolien die optimale Funktion in lichttechnischen Anwendungen wie z.B. bei High-Power LEDs, von Photovoltaik-Anwendungen, Brennstoffzellen und Lithium Ionen oder Lithium Polymer Akkumulatoren. Denn auch moderne Hochleistungsakkus und Ultracaps in Hybridfahrzeugen brauchen ein maßgeschneidertes Wärmemanagement, damit sie ihre optimale Leistung über eine lange Lebensdauer entfalten können.

Auch die stetig steigende Packungsdichte von Leistungselektronik-Modulen benötigt ein optimales Heatmanagement. Beispielhaft für die Problematik der Entwärmung ist der Toleranzausgleich, der sich durch Ungenauigkeiten bei Platinen, Gerätegehäusen/Kühlkörper sowie Lötpunkten summiert. Hier können Summentoleranzen von bis zu ±0,5 mm auftreten.

Thermisches Management dient zusammenfassend vor allem der Einhaltung der Betriebsbedingungen, der Erfüllung von Lebensdauer-, Zuverlässigkeits- und Sicherheitsanforderungen. Wärmeleitfolien als thermisches Interface sind dabei eindeutig die bessere Alternative gegenüber herkömmlichen Wärmeleitmaterialien. Denn sie sind kostengünstiger, können in hohen Stückzahlen schnell produziert werden und sind in Kombination mit Keramik oder Aluminium-Wärmesenken sowie Kühlkörpern oder Heatspreadern effizienter und prozesssicherer.

*Dr. Sibylle Schmidtke ist Marketingleiterin bei Kunze Folien in Oberhaching

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