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Lebensdaueruntersuchung

Thermische Charakterisierung elektronischer Systeme

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Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart
DHBW Duale Hochschule Baden-Württemberg Lörrach

Vollständig kontaktlos: die Laser-Flash-Methode

Die Temperaturleitfähigkeit eines Festkörpers, beispielsweise einer Leiterplatte, kann mit der Laser-Flash-Methode nach ASTM E1461 bestimmt werden. Dabei wird die Unterseite eines Probenplättchens mit einem Laserblitz erwärmt und mit einem Pyrometer die thermische Antwort auf der Oberseite gemessen (Bild 6).

Die übliche Probengeometrie liegt in der Größenordnung von 10 mm x 10 mm. Die Dicke sollte abhängig von den Wärmeleiteigenschaften der Probe im Bereich 0,5 mm bis 2 mm gewählt werden. Das Verfahren arbeitet vollständig kontaktlos. Damit erspart sich der Ingenieur jegliche Diskussion über Übergangswiderstände: Die Methode liefert den reinen Bulk-Wert.

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Allerdings sind damit auch keine Messungen unter mechanischem Druck möglich. Ein thermisches Interface-Material im verpressten Zustand, wie es etwa bei Silikonfolien häufig gewünscht ist, lässt sich mit der Laser-Flash-Methode also nicht charakterisieren. Je nach Gerät können Temperaturen vom negativen Celsius-Bereich bis ein paar hundert Grad problemlos vollautomatisch abgefahren werden.

Für die Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit einer Probe als stationäre Größe müssen zur gemessenen Temperaturleitfähigkeit zusätzlich noch die Dichte und die spezifische Wärmekapazität bestimmt werden. Die Dichte ist am genauesten mit einer Präzisionswaage nach der Auftriebsmethode zu messen, die spezifische Wärmekapazität mit der dynamischen Differenzkalorimetrie.

Das thermische Transientenverfahren

Das thermische Transientenverfahren nach JEDEC JESD51-14 ermöglicht den thermischen Pfad eines Halbleiters von dessen Junction bis zur Umgebung zerstörungsfrei zu charakterisieren. Dazu wird der Halbleiter mit konstanter Leistung PH vom Zeitpunkt t = 0 s mit einer Stufenfunktion beheizt. Alternativ dazu kann die Abkühlkurve betrachtet werden. Die Halbleiterstruktur dient als Heizquelle und zugleich als Temperatursensor.

Die Erwärmung wird mit Hilfe des Spannungsabfalls gemessen. Durch Kalibrierung des Halbleiters im Wärmebad kann aus der gemessenen Spannung direkt die zeitabhängige Erwärmung, d.h. die Zth-Kurve berechnet werden. Gemessen wird in der Regel im logarithmischen Zeitmaßstab mit anfänglicher Sampling-Rate im Mikrosekundenbereich. Damit lassen sich selbst die feinen Strukturen im Chip-Inneren, z.B. Klebe- oder Lotschichten, präzise charakterisieren.

Das Ergebnis ist die Strukturfunktion als Abbild des realen Wärmepfades. Sie liefert für jede Schicht im eindimensionalen Pfad die Wärmekapazität und den thermischen Widerstand. Bei bekannten Abmessungen der Schicht lässt sich aus dem thermischen Widerstand dessen Wärmeleitfähigkeit berechnen. Der Vorteil des thermischen Transientenverfahrens ist, dass die gesamten Wärmepfade im realen Aufbau gemessen werden können.

Das System muss für die Probenpräparation nicht zerstört werden. Bezüglich der Stoffwerte der einzelnen Materialien im Wärmepfad geht das jedoch auf Kosten der Genauigkeit.

* Andreas Griesinger leitet den Forschungsbereich Wärmemanagement an der Dualen Hochschule Baden-Württemberg Stuttgart.

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