Thermisches Interface - Schlüssel zur Lebensdauererhöhung

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Betrachtungen zur Langzeitstabilität

Die voranstehende Rechnung geht davon aus, dass die Qualität des thermischen Interfaces über die gesamte Nutzungsdauer konstant bleibt. Diese Annahme ist häufig falsch, da viele Materialien auf unterschiedliche Weise altern. In Stresstests lässt sich bewerten, ob und wie sich die thermisch aktive Schicht unter dem Modul über die Lebensdauer verändert. Je nach verwendetem Material sind dabei unterschiedliche Effekte maßgeblich an der Veränderung beteiligt.

In Bild 4 (siehe Online-Artikel via InfoClick) ist für vier verschiedene Materialien das Ergebnis eines High-Temperature-Storing-Tests (HTS) zusammengefasst. Der Test besteht darin, montierte Module für 1000 Stunden bei 125 °C waagerecht zu lagern. Am Ende einer Periode von 168 Stunden, das sind sieben Tage, erfolgt die Vermessung aller Module unter elektrischer Last. Von Interesse ist, ob sich der Temperaturhub am Chip bei fest definierten elektrischen Bedingungen verändert. Das Material Mod-3 zeigt ein Verhalten, das auf die Austrocknung der thermisch aktiven Schicht hindeutet; es wird kontinuierlich schlechter. Mod-2 arbeitet zunächst gut, verliert aber in der fünften Woche an Performance. Mod-1 zeigt das kontinuierlich gute Verhalten, das für die Applikation nötig ist. Die speziell für Leistungshalbleiter in Modulform entwickelte Infineon-Lösung (IFX) zeigt in diesem Test ihre besonderen Qualitäten. Sie erzielt das beste thermische Ergebnis zu Beginn des Tests. Ihre besonderen Eigenschaften führen additiv dazu, dass von Woche zu Woche bessere Ergebnisse auftreten. Hintergründe sind in der chemischen Zusammensetzung zu finden und beinhalten das Kriech- und Benetzungsverhalten der Substanz in Kombination mit Partikelgröße, Partikelgrößeverteilung und Partikelgehalt.

Im Test sind zu Beginn nur Unterschiede von wenigen Kelvin festzustellen, mit allen Probanden liegt der Temperaturhub im Bereich von 78 bis 83 Kelvin. Unter Berücksichtigung der Messgenauigkeit und kleinerer mechanischer Variationen entsteht hieraus keine nennenswerte Einbuße an Lebensdauer. Bereits nach wenigen hundert Stunden steigt diese Differenz und erreicht nach fünf Wochen eine beachtliche Größe.

Auf Basis der gewonnenen Daten und der Einbeziehung der Alterung der verwendeten Materialien verändert sich die Lebensdauerabschätzung. Der Test zeigt zwar deutlich die Alterung der Materialien und dessen Einfluss auf die Lebensdauer, ist aber wegen der fehlenden elektrischen und thermischen Wechsellast nur ein Indiz, was die Langzeitstabilität von Wärmeleitmaterialien betrifft.

Ein weiterer, beschleunigter Test nutzt die zyklische Bestromung eines senkrecht montierten Modules. Durch die Temperaturschwankung an der Bodenplatte des Moduls entsteht ein Pumpeffekt zwischen Modul und Kühlkörper. Die senkrechte Montage gibt empfindlichen Materialien eine Vorzugsrichtung durch die Gravitation. In waagerechten Anordnungen lässt sich der Pumpeffekt zwar beobachten, oft aber nicht in der Ausprägung wie es bei senkrechter Montage der Fall ist.

Viele der verfügbaren Wärmeleitpasten können in senkrechter Montageposition der thermo-mechanischen Beanspruchung nicht standhalten. Neben der Separation der Bestandteile ist das Auspumpen ein häufig beobachteter Fehlermechanismus.

Im Test wird das Modul für eine Minute durch Stromfluss beheizt und kühlt anschließend wieder ab. Der Temperaturhub an der Bodenplatte beträgt dabei ca. 40 bis 50 K. Durch das Austreten des Materials reduziert sich der Materialanteil unter dem Modul, was mit einer Erhöhung des thermischen Widerstandes einhergeht. Die Konsequenz ist eine erhöhte Temperatur im Modul und als Folge ein erhöhter Temperaturhub an der Bodenplatte. Die eintretende positive Rückkopplung ist ein höchst unwillkommener Effekt, der die Lebensdauer des Halbleiters massiv beeinträchtigt.

Ziel des Tests war es, die zyklische Belastung für 1000 Stunden aufrecht zu halten. Über mathematische Modelle war zuvor bestimmt worden, dass dies einer Lebensdauer von 20 Jahren in der Applikation entspräche. Mit der in Bild 5 verwendeten Paste, hier als GPG-1 bezeichnet, war der Versuch nach ca. 500 Stunden mit negativem Ergebnis beendet; das Halbleitermodul wurde im Aufbau thermisch zerstört. Auch mit einer zweiten Paste, GPG-2, wurde das Ziel nicht erreicht. Hier war ebenfalls das Modul nach weniger als 1000 Stunden thermisch zerstört (Bild 6 im Online-Artikel). Im Gegensatz dazu wurde bei Verwendung der Infineon-Lösung der Versuch nach 4000 Stunden ohne Ausfall eingestellt. Die sich aus diesem Resultat ergebende Lebenserwartung von über 80 Jahren hat alle Erwartungen übertroffen.

Fazit und Ausblick: Die Bewertung der thermischen Situation ist keine Aufgabe, die sich schnell lösen lässt. Aufwändige Tests sind notwendig um belastbare Aussagen bezüglich der thermischen Qualität und der Langzeitstabilität zu treffen. Für den Anwender erschließt sich der volle Nutzen eines Halbleiters nur, wenn Ausnutzbarkeit und Langzeitstabilität gewährleitstet sind. Es ist absehbar, dass mehr Hersteller dazu übergehen werden, Lösungen inklusive thermischem Management anzubieten. Infineon hat mit dem neuen TIM den ersten Schritt in diese Richtung unternommen.

* * Martin Schulz... arbeitet im Application Engineerin bei Infineon Technologies, Warstein.

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