Thermische Widerstände Mikrothermografie für dünne Schichten

Sinterverbindungen sind eine vielversprechende Alternative zu herkömmlichen Verbindungstechniken in der Mikro- und Leistungselektronik. Am ZFW wurde eine neue Methode entwickelt, um thermische Widerstände an dünnen, thermisch hochleitfähigen Verbindungen reproduzierbar zu messen.

Zur Bestimmung thermischer Widerstände und Wärmeleitfähigkeiten existieren zahlreiche etablierte und standardisierte Verfahren [1]. Für die Untersuchung thermischer Interfacematerialien (TIMs), wie Wärmeleitpads oder Wärmeleitpasten, hat sich die stationäre Zylindermethode nach ASTM D5470-17 [2] etabliert. Verbindungstechniken auf Chip-Ebene werden meist mit dem thermischen Transientenverfahren (JEDEC-Standards der JESD51-Serie) untersucht.

Bei der systematischen Untersuchung von sehr dünnen, hochleitfähigen Verbindungsschichten kommen beide Verfahren an ihre Grenzen. Die bei der stationären Zylindermethode notwendigen Adaptionen hin zu den verbundenen Substraten führen zu erhöhten Unsicherheiten und lassen eine Bestimmung des Temperaturabfalls direkt am zu untersuchenden Interface nicht zu.

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Beim thermischen Transientenverfahren wird das zu kühlende Elektronikbauteil als Sensor eingesetzt. Dies ermöglicht sehr applikationsnahe Untersuchungen. Für systematische und anwendungsunabhängige Untersuchungen von Material- und Verbindungseigenschaften ist dies jedoch ein Nachteil, da die Bauteileigenschaften die Messung beeinflussen können. Mit anderen Messverfahren kann oft nur die Wärmeleitfähigkeit des Substratmaterials bestimmt werden. Verbindungen und andere relevante Übergänge werden vernachlässigt.

Eine an die stationäre Zylindermethode angelehnte Neuentwicklung nutzt Infrarotthermografie mit einer Auflösung im Bereich weniger Mikrometer – auch Mikrothermografie genannt – und schließt die Lücke zwischen den etablierten Verfahren. Mikrothermografische Untersuchungen an den Übergängen von TIMs zu Festkörperoberflächen haben in der Vergangenheit bereits zu vielversprechenden Ergebnisse geführt [3].

Lösungen bei Messungen an dünnen Schichten

Messungen bei stationären Randbedingungen erlauben einfache und robuste Auswertungen. Die kontaktlose Messung der Temperaturdifferenzen direkt an den zu untersuchenden Schichten erweitert das Anwendungsspektrum für stationäre Messungen und kompensiert die sonst mit der normalen Temperaturmessung verbundenen Nachteile bei dünnen Materialschichten.

Für die Messungen wird der TIM-Tester des Instituts eingesetzt und mit einer neuen Mikrothermografie-Apparatur ergänzt. Zentrale Komponente ist eine Infrarot-Kamera mit Mikroskop-Objektiv. Je nach geforderter Auflösung kommen unterschiedliche Kamera-Objektiv-Kombinationen in Frage. Auflösungen <4 µm sind möglich. Die im weiteren Verlauf vorgestellten Ergebnisse stammen von einem Kamerasystem mit ca. 15 µm je Pixel.

Gemessen werden kann der thermische Widerstand einer Verbindung zwischen zwei beliebigen Substraten. Proben können unabhängig vom Package im Labor präpariert werden. Das ermöglicht die systematische Untersuchung zahlreicher Materialkombinationen und Prozessparameter sowie den direkten Vergleich verschiedener Verbindungstechnologien. Die Ergebnisse können auf verschiedene AVT-Situationen übertragen oder direkt als Input für thermische Simulationen verwendet werden. Für die nachfolgend vorgestellte Studie wurden Kupfersubstrate mit einer Grundfläche von 4 mm x 4 mm und einer Dicke von 2 mm eingesetzt (Bild 1).

In Bild 1 sind zwei präparierte Kupfersubstrate vor dem Fügen (a) dargestellt sowie ein Probenkörper nach dem Fügen mit Lötpaste (b), nach dem allseitigen Schleifen (c) und nach einer Beschichtung mit Polymerfolie (d). Die Beschichtung sorgt für einen hohen und gleichmäßigen Emissionsgrad an den Probenoberflächen, was für die spätere Thermografie notwendig ist.

Für die mikrothermografische Untersuchung werden die präparierten Proben mit zwei aus Kupfer gefertigten Adapterkegeln in den TIM-Tester eingesetzt (Bilder 2 und 3). Die elektrohydraulische Hubeinheit des TIM-Testers erlaubt es, eine definierte Kraft auf die Probe auszuüben und druckabhängige Messungen durchzuführen.

Die obere Einheit des TIM-Testers wird elektrisch beheizt, die untere fluidisch gekühlt (Bild 3). Es wird eine stationäre Temperaturdifferenz entlang der Messstrecke und über die Probe eingestellt. Es fließt ein konstanter, näherungsweise eindimensionaler Wärmestrom in negative z-Richtung durch die Probe.

Für die Auswertung der thermischen Widerstände in der Messstrecke und damit auch des thermischen Widerstands der Verbindung muss der Temperaturverlauf entlang der z-Richtung, also entlang des Wärmestroms ermittelt werden. Was bei der stationären Zylindermethode nach ASTM D5470-17 [4] an einigen wenigen Positionen mittels Temperatursensoren erfolgt, wird in der neuen Methode durch Thermografie mit feiner örtlicher Auflösung durchgeführt (Bild 3).

Aufgenommen wird das Temperaturfeld T(x,z) auf der Oberfläche der Probe und der angrenzenden Adapterkegel. Bei zu vernachlässigenden Wärmeverlusten, was durch moderate Temperaturunterschiede hin zu Umgebung und die hohe Wärmeleitfähigkeit der Proben erreicht wird, sind die ermittelten Temperaturen auch repräsentativ für das Innere der Probenkörper. Extrahiert wird der für die Messung relevante Bereich auf der Probenoberfläche. Eine Mittelung der Temperaturwerte entlang der x-Achse liefert den gesuchten Temperaturverlauf T(z).

Möglichkeiten der verschiedenen Auswerteverfahren

Aus dem mikrothermografisch gemessenen Temperaturverlauf T(z) über die Probe können die thermischen Widerstände der einzelnen Schichten bestimmt werden. Jede kleine Temperaturdifferenz ΔT(z) zwischen zwei Pixelreihen im Wärmebild steht mit

für den lokalen Beitrag Δr(z) zum spezifischen thermischen Widerstand r der Probe. Die durch die Probe fließende Wärmestromdichte q erhält man entweder direkt aus der Wärmestrombestimmung des TIM-Testers oder alternativ aus einer Kalibrierung anhand der verwendeten Kupfersubstrate.

Ist deren Wärmeleitfähigkeit λ_Cu, z. B. aus seiner Laser-Flash-Analyse nach ASTM E1461-13 [4] gut bekannt, kann die Wärmestromdichte auch mit

aus dem Temperaturgradienten (dT/dz)_Cu im Bereich der Kupfersubstrate bestimmt werden.

Diese Methode ist beim Einsatz gut bekannter Substratmaterialien grundsätzlich zu bevorzugen, da durch Wärmeverluste hervorgerufene Messunsicherheiten sowie optische Fehler reduziert werden. Summiert man alle lokalen thermischen Widerstände Δr bis zur Stelle z, erhält man mit r(z) den kumulierten spezifischen thermischen Widerstand über die Probe (Bild 4).

Im Bild dargestellt sind der gemittelte Temperaturverlauf T(z), die berechneten lokalen Widerstandsbeiträge
Δr(z) sowie der kumulierte spezifische thermische Widerstand r(z). Dieser steigt im Bereich der beiden Substrate linear an. In der Verbindungszone dazwischen ist eine deutliche Abweichung von diesem linearen Verlauf zu erkennen. Der deutliche Widerstandsanstieg in diesem Bereich ist der gesuchte spezifische thermische Widerstand der Verbindungsschicht, welcher anschließend ausgewertet werden kann.

Mittels linearer Regression wird der Verlauf Δr(z) in den Bereichen der beiden Substrate S1 und S2 angenähert. Sind wie hier beide Substrate aus dem gleichen Material gefertigt und weisen zumindest unter Vernachlässigung der Temperaturabhängigkeit die gleiche Wärmeleitfähigkeit auf, wird der spezifische thermische Widerstand der Verbindung mit r_v = r_S2(0) – r_S1(0) als der vertikale Abstand der beiden beschriebenen Geraden berechnet.

Haben die beiden Substrate der präparierten Probe unterschiedliche Wärmeleitfähigkeiten, kann bei dicken Verbindungsschichten der Start- und Endpunkt der Verbindung gesucht werden und bei dünnen Schichten die Mittelposition z_v über den Hochpunkt der Kurve Δr(z) abgeleitet werden (Bild 4). Weitere Auswertungsstrategien und Interpretationsmöglichkeiten für die Ergebnisse, speziell bei dicken, inhomogenen Verbindungsschichten, werden in [3] diskutiert.

Vergleich unterschiedlicher Verbindungstechniken

Im Rahmen der hier vorgestellten Studie wurden drei Verbindungstechnologien untersucht und verglichen. Ausgewählt wurden ein wärmeleitfähiger Klebstoff, eine Lötpaste sowie eine drucklos anzuwendende Silber-Sinterpaste. Alle Materialien sind kommerziell verfügbar. Alle Materialien wurden nach Herstelleranweisung auf die zuvor geschliffenen und mit Isopropanol gereinigten Kupfersubstrate aufgetragen und ausgehärtet, bzw. gefügt. Bild 5 vergleicht die gemessenen spezifischen thermischen Widerstände und effektiven Wärmeleitfähigkeiten der Verbindungsschichten.

Der spezifische thermische Widerstand der geklebten Verbindung ist mit r_v ≈ 33,4 mm² K W^–1 deutlich höher als die der gelöteten und gesinterten Verbindungen, die mit 0,75 mm² K W^–1 und 0,57 mm² K W^–1 gemessen wurden. Die effektiven Wärmeleitfähigkeiten der Verbindungsschichten wurden mit λ_eff = d r_v^–1 aus den spezifischen thermischen Widerständen und den aus Schliffbildern ermittelten Schichtdicken d der Verbindungen berechnet.

Für den Klebstoff wurde λ_eff= 2,8 Wm^–1 K^–1 ermittelt, für das Lot λ_eff= 26,5 Wm^–1 K^–1 und für die gesinterte Schicht λ_eff = 66,1 Wm^–1 K^–1. Alle effektiven Wärmeleitfähigkeiten sind deutlich niedriger als die in den Datenblättern angegebenen Materialwärmeleitfähigkeiten von 5, 50 und 200 Wm^–1 K^–1, was auf die bei den dünnen untersuchten Schichten dominierenden thermischen Übergangswiderstände hin zu den Kupfersubstraten zurückzuführen ist. Dieses Ergebnis unterstreicht die Notwendigkeit eines Charakterisierungsverfahrens für die Verbindungstechnologien im Verbund mit den zu fügenden Substraten, wie es hier mit der Mikrothermografie erfolgreich implementiert werden konnte.

Potenziale der Mikrothermografie bei der Messung dünner Schichten

Die Ergänzung der stationären Zylindermethode mit einer Mikrothermografie-Einrichtung ermöglicht erstmals die präzise Bestimmung und systematische Untersuchung thermischer Widerstände dünner Verbindungsschichten, wie sie beim Kleben, Löten oder Sintern von Substraten in elektronischen Systemen entstehen. Eine genaue Kenntnis der thermischen Widerstände von Verbindungsschichten sowie der effektiven Wärmeleitfähigkeiten der Verbindungsmaterialien im Schichtverbund ist für die gezielte Materialauswahl sowie als Input für thermische Simulationen von hoher Bedeutung.

Aufwand und Kosten für Messungen mit dem neuen Verfahren sind nur geringfügig höher als mit der stationären Zylindermethode und weiterhin deutlich unter denen einer Laser-Flash-Analyse, deren Auswertung zusätzlich die Bestimmung von Wärmekapazität und Dichte erfordert.

Vergleich von drei kommerziell verfügbaren Verbindungsmaterialien

Im Rahmen der vorgestellten Studie wurden drei kommerziell verfügbare Verbindungsmaterialien verglichen. Die Ergebnisse zeigen deutliche Abweichungen zwischen den effektiven Wärmeleitfähigkeiten im Schichtverbund und den idealisierten Datenblattwerten der Materialien. Thermische Übergangswiderstände im Schichtverbund beeinflussen die Gesamtperformance erheblich.

Mit Lötpaste und Silber-Sinterpaste konnten dennoch Verbindungen hergestellt werden, die mit spezifischen thermischen Widerständen von <1 mm² K W^–1 hochleitfähig sind und großes Potential für die Optimierung der thermischen Performance leistungselektronischer Systeme bieten. In zukünftigen Studien können weitere Verbindungstechnologien untersucht sowie der Einfluss von Prozess- und Fügeparametern ermittelt werden. Darüber hinaus eignet sich die vorgestellte Methode auch für die Auflösung thermischer Widerstände anderer dünner Schichten, von Festkörperkontakten oder an besonders kleinen Probenkörpern, bei denen konventionelle Messverfahren an ihre Grenzen stoßen.

Konkrete Anwendungsbeispiele sind Leistungshalbleiter, DCB- oder AMB-Substrate, Die-Attach-Schichten zwischen Chip und Substrat, TIM-Schichten zwischen Modulen und Kühlkörpern, metallische oder keramische Beschichtungen sowie Underfill-Materialien.

Herausforderungen bei der Anwendung des Verfahrens

Die Herausforderungen bei der Anwendung des Verfahrens liegen in der Probepräparation und der thermischen Anbindung der Probenkörper im TIM-Tester. Die mikrothermografische Untersuchung verlangt eine ideal eindimensionale Wärmeleitung durch die Probe. Dies kann nur gewährleistet werden, wenn die Probenkörper beidseitig eben und planparallel gefertigt und durch ein geeignetes Interfacematerial vollflächig an die Messzylinder des TIM-Testers angebunden werden. Bereits kleinste Unebenheiten und Fehlstellen können das Messergebnis deutlich beeinflussen.

Meist ist eine mechanische Bearbeitung der Proben notwendig. Dabei auftretende Scherkräfte können die zu untersuchende Verbindung bereits verändern und das Messergebnis verfälschen. Werden Probenkörper aus größeren Bauteilen oder Baugruppen entnommen, muss sichergestellt werden, dass repräsentative Stellen ausgewählt und potenzielle Richtungsabhängigkeiten berücksichtigt werden. (kr)

Literatur

[1] Griesinger, A.: Wärmemanagement in der Elektronik: Theorie und Praxis. Berlin, Heidelberg: Springer Berlin Heidelberg, 2019. doi: 10.1007/978-3-662-58682-2.

[2] D09 Committee, ASTM D5470-17: Test Method for Thermal Transmission Properties of Thermally Conductive Electrical Insulation Materials, 2017. doi: 10.1520/D5470-17.

[3] Roser, O., Griesinger, A. und Marti, O.: „Investigations on thermal contact resistance between filled polymer composites and solids using micro thermography“, Meas. Sci. Technol., Bd. 34, Nr. 12, S. 125401, Dez. 2023, doi: 10.1088/1361-6501/acec8f.

[4] E37 Committee, ASTM E1461-13: Test Method for Thermal Diffusivity by the Flash Method, 2022. doi: 10.1520/E1461-13R22.

* Oliver Roser ist Projektleiter F&E am Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) in Stuttgart. Nikica Jurcevic arbeitet als Simulationsingenieur am ZFW in Stuttgart.

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