Thermischer Widerstand Datenblätter liefern oft nur die halbe Wahrheit

Anbieter zum Thema

Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

Vogt AG Verbindungstechnik

In der Leistungselektronik entscheiden oft nur wenige Mikrometer über Erfolg oder Totalausfall. Während Chips immer leistungsfähiger werden, entwickelt sich die Verbindungstechnik aus Sinter, Lot oder Kleben zu einem kritischen Nadelöhr. Doch wie misst man thermische Widerstände dort, wo herkömmliche Sensorik blind ist?

Höhere Leistungsdichten, kompaktere Bauformen und der Vormarsch von Wide-Bandgap-Halbleitern wie SiC und GaN stellen das Wärmemanagement vor neue Probleme. Entwickler verlassen sich oft auf die theoretischen Wärmeleitwerte aus den Datenblättern der Materialhersteller. Doch in der Praxis zeigt sich: Die reale Verbindung im Bauteil verhält sich oft völlig anders als die Materialprobe im Labor.

Warum das so ist und wie man diesen blinden Fleck mit Mikrothermografie sichtbar macht, erklärt Oliver Roser vom Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) Stuttgart im Vorfeld seines Vortrags auf dem Fachkongress Power of Electronics am 29. und 30. September in Würzburg.

DER KONGRESS FÜR ELEKTRONIKENTWICKLER

Entwickeln mit Weitblick – Die 360-Grad-Sicht auf die Elektronik

Von der ersten Idee bis zum marktreifen Produkt: Power of Electronics liefert Wissen, Werkzeuge und Kontakte für erfolgreiche Elektronikentwicklung. Egal, ob Sie am Anfang Ihrer Karriere stehen oder erfahrener Spezialist sind – hier finden Sie tiefgehende Inhalte, aktuelle Technologien und innovative Lösungen. Es erwartet Sie ein auf verschiedene Themengebiete der Elektronik fokussiertes Vortragsprogramm, eine übergreifende Fachausstellung mit den jeweiligen Spezialunternehmen und Komponentenanbietern sowie zahlreiche Möglichkeiten zum interdisziplinären Austausch und intensiven Networking.

Jetzt anmelden!

Oliver Roser über die Vermessung des Unsichtbaren

Herr Roser, Sinter- und Klebeverbindungen sind oft nur wenige Mikrometer dick, entscheiden aber über das Überleben des Bauteils. Warum ist die klassische Messtechnik hier blind, und warum braucht es die Mikrothermografie?

Zur Bestimmung thermischer Widerstände existieren viele etablierte Messverfahren. Doch bei Sinter- und Klebeverbindungen sollten Entwickler darauf achten, dass sie sich im Inneren eines Bauteilverbunds befinden und idealerweise genau in dieser Einbausituation charakterisiert werden müssen. Nur so lassen sich die anwendungsrelevanten Kontakt- und Übergangswiderstände erfassen.

Klassische stationäre Verfahren stoßen hier an ihre Grenzen, weil die Temperaturabfälle über so dünne Schichten nicht ausreichend aufgelöst werden können. Transiente Verfahren benötigen komplexe Algorithmen und erreichen oft nur eine begrenzte Genauigkeit. Die Mikrothermografie schließt diese Lücke: Sie ermöglicht es, Temperaturfelder bei stationärem Wärmefluss mit sehr hoher räumlicher Auflösung zu erfassen. Selbst kleinste Temperaturabfälle über die Verbindungsschichten werden direkt bestimmt.

Auf dem Kongress präsentieren Sie Ergebnisse einer aktuellen Studie zu Sinter-, Lot- und Klebeverbindungen. Gibt es Erkenntnisse, die mit gängigen Vorurteilen der Entwickler aufräumen?

Ja, die Zuhörer dürfen sich auf einen direkten Vergleich freuen. Ein überraschendes Ergebnis ist weniger die Rangfolge der Technologien, sondern die Größenordnung der tatsächlich auftretenden Widerstände. In der Praxis werden häufig die Wärmeleitfähigkeiten aus Datenblättern als Maßstab herangezogen. Diese beziehen sich jedoch meist auf den reinen Werkstoff und nicht auf die reale Verbindung im Bauteil.

Unsere Messungen zeigen, dass die effektive thermische Leistungsfähigkeit einer Verbindung massiv von den Kontakt- und Übergangswiderständen zu den Substraten beeinflusst wird. Diese können einen erheblichen Anteil am Gesamtwärmewiderstand ausmachen und führen teilweise zu deutlichen Abweichungen von den Erwartungen, die allein auf Basis der Datenblattwerte entstehen würden.

Wie sehr hilft Ihre Methode dabei, die „Unsicherheit“ in thermischen Modellen zu reduzieren, damit Entwickler nicht mehr massiv überdimensionieren müssen?

Hier liegt eine der größten Stärken. Häufig stehen Entwicklern lediglich Wärmeleitfähigkeiten des reinen Fügematerials zur Verfügung. Mit der Mikrothermografie können hingegen reale Verbindungen mit den tatsächlich eingesetzten Fügepartnern charakterisiert werden. Das liefert einen deutlich realitätsnäheren Simulationsinput. Die Methode reduziert die Unsicherheit erheblich, weil Entwickler erstmals belastbare Größenordnungen erhalten. Statt mit pauschalen Worst-Case-Annahmen zu arbeiten, die oft um ein Vielfaches zu hoch angesetzt sind, können Simulationen mit realistischen Daten durchgeführt werden. (heh)

Der Vortrag von Oliver Roser ist Teil des Tracks Wärmemanagement (ehemals Cooling Days) auf dem Fachkongress Power of Electronics vom 29. bis 30. September in Würzburg. Neben neuesten Messtechniken erwarten die Teilnehmer Deep Dives zu generativen Kühlkonzepten, disruptiven Werkstoffen und dem Digitalen Produktpass.

Grundlagentag Wärmemanagement

Live-Versuche und Generatives Design: So kühlen Profis moderne Elektronik

EMV zum Anfassen

Messen statt raten – so gelingt der Weg durch den EMV-Dschungel

(ID:50879611)