Modellierung thermischer Schnittstellen bei High-Power-IC

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Ein Beispiel aus der Praxis

Eine Aluminiumprofilstange wurde an einem TO263-Gehäuse befestigt und diese Anordnung dann mit einer wassergekühlten Cold Plate verbunden, beides unter Verwendung von Wärmeleitpasten. Mit Hilfe von T3Ster wurde die thermische Reaktion auf eine sprunghafte Änderung in der Stromversorgung gemessen und der daraus resultierende numerische Berechnungsalgorithmus abgeleitet.

Damit das numerische Modell des Die-Widerstands den echten Werten entspricht, lassen sich verschiedene Eigenschaften des Dies modifizieren:

• Die-Größe

• Die-Dicke

• Aktive Schichtdicke, die die Tiefe der Wärmequelle definiert

• Abdeckung der aktiven Schicht (diese wird manchmal durch Abhobeln des Dies verursacht; sie kann zwischen 100 und 150 µm unter dem jeweiligen Rand der Die-Fläche liegen)

In dem hier gezeigten Beispiel führt eine Reduzierung der Die-Dicke und der aktiven Fläche zu einem guten Kompromiss bei Wärmewiderstand und Wärmekapazität bis zum 2,35-K/W-Punkt (Bild 2).

Sobald der nächste Fehlerpunkt bekannt ist, kann er auf die räumliche Lage dieses Widerstandwerts im numerischen Modell übertragen werden; in diesem Fall auf die Die-Flag. Die Wärmeleitfähigkeit und spezifische Wärmekapazität des Flag-Materials wurden verändert, um die in diesem Bereich des experimentellen Algorithmus beobachteten Widerstands- und Kapazitätswerte zu erreichen.

Der nächste Vergleich der Algorithmen zeigt im numerischen Modell einen mangelhaften Widerstand bei der Die-Anbindung. Der Widerstand wurde an dieser Stelle auf Basis der gemessenen „Lücke“ zwischen zwei Algorithmen modifiziert und der numerische Algorithmus erneut abgeleitet und verglichen.

Die restlichen Fehler traten an der thermischen Schnittstelle zwischen Package und Cold Plate auf. Der TIM-Widerstand wurde im numerischen Modell geändert, erneut durchlaufen und abermals verglichen. Bild 2 illustriert verschiedene Schritte des Algorithmus-Vergleichs bei der iterativen Annäherung.

Die übereinstimmenden Algorithmen zeigen, dass die numerischen Modelle hinsichtlich der Genauigkeit vollständig angenähert wurden. Das kalibrierte Package-Modell kann nun in realen Betriebsumgebungen (auf einer bestückten Leiterplatte) verwendet werden, um die thermische Übereinstimmung eines Designs zu beurteilen. //KR

Literatur

[1] Garimella, S.V. et al.: “Thermal Challenges in Next-Generation Electronic Systems,” IEEE Transactions on Components and Packaging Technologies, Vol. 31, No. 4, Purdue University, December 2008.

[2] Guenin, B.: “Transient Modelling of a High-Power IC Package, Part 1,” Electronics Cooling, December 2011.

* * Robin Bornoff ... Robin Bornoff ist Product Marketing Manager und Dr. John Parry ... Electronics Industry Manager bei der Mentor Graphics Mechanical Analysis Division in Surrey, UK.

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