Diskrepanz zwischen Simulation und Realität verringern Modellierung thermischer Schnittstellen bei High-Power-IC

Die präzise Modellierung thermischer Schnittstellen ist schwierig. Mithilfe geeigneter Thermosimulations- und Analysewerkzeuge lässt sich die Diskrepanz zwischen Simulation und Realität jedoch verringern.

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Elektronische Geräte verbrauchen Strom und erzeugen deshalb Wärme. Jedes Gerät ist für eine optimale Betriebstemperatur konzipiert. Wird es zu heiß, nimmt seine Leistung ab oder es fällt ganz aus. Um dies zu verhindern, werden Kühlmechanismen oder Wärmeleitpfade zur Entwärmung integriert. High-Power-ICs werden heute in dicht bestückten Umgebungen mit unterschiedlichen Arbeitslasten und Energiesparstrategien betrieben. Die effiziente Wärmeableitung ist dabei eine der größten Herausforderungen. Um die Produkte kühl zu halten, befestigen Entwickler üblicherweise Kühlkörper auf dem Gehäuse des Chips.

Zwischen IC und Kühlkörper wird ein TIM (Thermal Interface Material) platziert. TIMs sind thermisch leitfähige Werkstoffe, die die Kontaktleitfähigkeit der miteinander verbundenen Oberflächen erhöhen und die Effizienz der Wärmeübertragung steigern. Die Lücke zwischen IC und Kühlkörper wäre sonst mit Luft gefüllt, die ein sehr schlechter Wärmeleiter ist. Zu TIM zählen Fette, gefüllte Epoxidharze, Phase-Change-Materialien und thermisch leitende Pads. Die Entwicklungen bei Kohlenstoff-Nanostrukturen als Füllstoffe haben bei TIMs zu wesentlichen Verbesserungen geführt. [1].

Um ein zuverlässiges arbeitendes Produkt zu entwickeln, wird eine genaue Kenntnis der Wärmeleitfähigkeit und Schichtdicke der thermischen Interface-Materialien immer wichtiger. Die Widerstände an den thermischen Schnittstellen verursachen einen Großteil des Temperaturanstiegs zwischen Halbleiter-Sperrschicht und Umgebung. Beim Versuch, ein Gerät so zu entwickeln, dass es innerhalb des Betriebstemperaturbereichs bleibt, ist die Klebeschicht die Schwachstelle. Organische Stoffe weisen eine geringe Wärmeleitfähigkeit auf und die minimale Schichtdicke wird durch die unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten zwischen den jeweiligen Materialien, wie z.B. Silizium und metallischem Die-Pad, begrenzt.

Der von einer Interface-Schicht hervorgerufene Wärmewiderstad ergibt sich aber nicht einfach durch die Schichtdicke und Leitfähigkeit des Schnittstellenwerkstoffes. Der Kontaktwiderstand der Klebeschicht an den beiden Oberflächen trägt ebenfalls zum finalen Grenzflächenwiderstand bei. Die Kontaktwiderstände zwischen dem TIM und den beiden Oberflächen untergraben die Leistungsfähigkeit der Werkstoffe an dieser Stelle (Bild 1).

Für das Design einfach nur die Herstellerangaben zur Wärmeleitfähigkeit der Materialien und die Dicke der Klebeschicht an Stelle eines realen Wärmewiderstands zu übernehmen ist ungünstig, da hier manchmal erhebliche Diskrepanzen bestehen. Die Werte im Datenblatt unterscheiden sich oft von den lokal gemessen Daten.

Für die Angaben im ASTM-Standard werden beispielsweise die TIM-Muster zwischen zwei sehr glatten Metallzylindern vermessen. In der tatsächlichen Anwendung kann das Interface-Material zischen den Oberflächen aus verschiedenen Materialien bestehen, die unterschiedlich rau sind; zum Beispiel zwischen einem Kühlkörper und der Oberseite eines Plastikgehäuses. Diese Diskrepanz ist bei den thermischen Simulationsmodellen, die für die IC-Entwicklung verwendet werden, eine der Hauptursachen für Ungenauigkeiten.

Da die Prüfmuster nicht den realen Anwendungen entsprechen, sind in situ Messungen der beste Ansatz, um Daten für die thermische Simulation zu gewinnen. Dies umfasst Messungen des gesamten Wärmewiderstands des Interface-Materials, wenn dieses in einer ähnlichen Anwendung verwendet wird, zum Beispiel in einem früheren Design, das bereits gefertigt worden ist.

Experimentell ermittelte Daten liefern die genauesten Werte zur Optimierung eines Designs. Eine derartige thermische Charakterisierung steigert das Vertrauen in die Werte, die während der Simulation auf allen Package-Ebenen genutzt werden, ausgehend vom Inneren des Gehäuses. Dabei werden numerische Berechnungsalgorithmen verwendet, um Unterschiede zwischen Simulation und Realität zu detektieren.

Thermische Schnittstellen lassen sich einfach in thermische Simulationswerkerzeuge integrieren. Dies geschieht entweder durch die Angabe der effektiven Wärmeleitfähigkeit oder des Wärmewiderstands und der Schichtdicke. An Stellen, an denen die Wärmeleitung vernachlässigt werden kann (sehr dünne und laterale Strukturen), wird häufig ein vereinfachtes 2-D-Modell angesetzt, sodass die Interface-Schicht im Simulationsmodell keine Dicke hat.

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