Temperaturbelastungen der Leistungselektronik minimieren

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Nicht frei von Nachteilen sind Phasenübergangsmaterialien

Phasenübergangsmaterialien (PCMs) bestehen aus einer Mischung aus Schwebeteilchen mit hoher Wärmeleitfähigkeit wie beispielsweise feine Partikel aus Metalloxid und einem Basismaterial. Auch wenn die Bezeichnung einen Phasenübergang des Basismaterials andeutet, findet ein solcher nicht statt. Die Materialien wechseln nicht ihren Zustand – jedoch verringert sich deren Viskosität, was zu einem Fließvorgang führt.

Das Basismaterial kann ein natürliches Material wie ein vollraffiniertes Paraffin, ein Polymer, ein Co-Polymer oder eine Kombination aus diesen Materialien sein. Es ist bei niedrigen Temperaturen fest, verhält sich aber wie eine Paste, wenn eine bestimmte Temperatur für einen Phasenübergang erreicht ist (50 bis 90 °C). Phasenübergangsmaterial wird als reine Masse oder als Verbundmaterial mit einer definierten Dicke auf einem Substrat bereitgestellt.

Die Vorteile eines solchen TIM sind die hohe thermische Leistungsfähigkeit bei moderatem Kontaktdruck. Das Material fließt im thermischen Übergangsbereich und füllt Luftspalten. Für einen Kontakt der gegenüberliegenden Flächen reicht eine minimale Materialdicke aus. Dadurch, dass die Kontaktschicht dünn ist, wird ein Auspumpen durch thermomechanische Bewegungen der Übergangsoberfläche vermieden. Das Material lässt sich zudem einfach bei der Installation handhaben.

Dennoch gibt es eine Reihe von Nachteilen. Beispielsweise können paraffinbasierte Phasenübergangsmaterialien sehr brüchig und schwierig anzuwenden sein. Zudem werden auch sie bei Wärmezyklen aus dem Übergangsbereich des Bauelements herausgepresst, ähnlich wie Wärmeleitpaste. Um die Materialien zusammenzubringen und das TIM zum Fließen zu veranlassen, muss eine Druckkraft ausgeübt werden. Die gewünschte Phasenübergangseigenschaft begrenzt die Auswahl an Polymer- und Füllstoffkombinationen, was die thermische Leistungsfähigkeit dieser Materialien beschränkt.

Weitere Nachteile sind die geringe Wärmeleitfähigkeit, die große Volumenänderung beim Phasenübergang, die Entflammbarkeit und die Bildung schädlicher Dämpfe bei einer etwaigen Verbrennung. In seltenen Fällen kann das PCM mit den Produkten einer Hydratation in Beton reagieren, thermisch-oxidativ altern, Gerüche entwickeln oder das Volumen signifikant ändern.

Soft-PGS als Lösung für das Wärmemanagement

Eine Alternative zu viskosen TIMs ist eine flexible Graphitfolie, die nicht viskos ist. Anstelle eines TIM, das in mikroskopisch kleine Unebenheiten auf der Oberfläche hineinfließt, werden bei Graphitfolien die Graphitplättchen mit einer Druckkraft in die Oberfläche hineingepresst. Weder fließt, noch schrumpft oder zerfällt das Graphit, sobald die Metallflächen unter Druck miteinander verbunden sind, da Graphit ein kristalliner Kohlenstoff ist – ebenso wie ein Diamant. Die Kristallstruktur sorgt zudem für die Wärmeübertragung der Grafitfolie mit einer sehr hohen Ebenen übergreifenden Wärmeleitfähigkeit. Panasonic Industry Europe hat ein hoch komprimierbares TIM aus Graphit mit dem Namen Soft-PGS (PGS; Pyrolytic Graphite Sheets entwickelt. Diese pyrolytische Graphitfolie verbessert die Wärmekopplung zwischen Wärme erzeugenden Bauelementen (Wärmequellen) und Wärme abführenden Bauteilen (Kühlkörper).

Die Folie besteht aus hochgradig ausgerichtetem Graphit, dessen Struktur der eines Monokristalls ähnelt. Die Graphitfolie wird aus einem Polymerfilm unter Zuhilfenahme eines thermischen Zersetzungsprozesses hergestellt. Der sechskantige Kristallaufbau des Graphits ist in einer einheitlichen horizontalen 2D-Struktur angeordnet. Soft-PGS kommt als 200 µm dünne pyrolytische Graphitfolie als TIM für IGBT-Halbleiter zum Einsatz.

Die gute Kompressibilität um 40% macht Soft-PGS zur geeigneten Lösung für eine deutlichen Reduzierung des Wärmewiderstands zwischen einem Kühlkörper und einem IGBT-Bauelement. Die hauchdünne Folie lässt sich problemlos verarbeiten und anbringen. Dadurch verursacht Soft-PGS wesentlich geringere Arbeits- und Installationskosten als Wärmeleitpasten oder Phasenübergangsmaterialien. Soft-PGS ist bis 400 °C thermisch stabil und zuverlässig bei starken Wärmezyklen (von -55 bis +150 °C). Die Wärmeleitfähigkeit beträgt 400 W/mK in X-Y-Richtung und 28 W/mK in Z-Richtung. Panasonic hält eine breite Palette an Standardfolien für verschiedene IGBT- Bauelemente unterschiedlicher Hersteller zur Verfügung.

Wartungsfreies TIM für eine lange Nutzung

Soft-PGS wurde von Panasonic speziell als Thermoschnittstellen-Materialien entwickelt und bietet gegenüber früheren Materialien die Vorteile einer hohen Leistung, einfachen Installation und dauerhaften Zuverlässigkeit. In dem Diagramm (Bild 5) werden die Kosten von verschiedenen TIMs und Soft-PGS gegenübergestellt. Obgleich bei Wärmeleitpaste die Anfangskosten niedrig sind, steigt der Wartungsaufwand nach der Installation stark. Im Vergleich dazu ist Soft-PGS wartungsfrei, wodurch für eine langfristige Nutzung nur die anfänglichen Installationskosten anfallen.

Power-Managment

Das große Potenzial der Galliumnitrid-Halbleiter

Panasonic entwickelte sein Soft-PGS-Portfolio für Leistungsmodule von sechs Herstellern: Hitachi Power, Mitsubishi Electric, Infineon, Semikron, Fuji Electric und Littelfuse. Weitere Hersteller von Leistungsmodulen werden auf Anfrage unterstützt. Sobald kundenspezifische Moduldaten bereitgestellt werden, kann Panasonic eine entsprechende Soft-PGS-Lösung liefern.

* Simone Saile ist Product Manager, Panasonic Industry Europe (Ottobrunn)

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