Power-Module Wie sich Fehler beim Wärmeleitpastenauftrag auf Power-Module vermeiden lassen

Zu viel Wärmeleitpaste verschlechtert den Wärmewiderstand, zu wenig Paste führt zur thermischen Überlastung des Leistungshalbleiters. Das optimale Aufbringen der Wärmeleitpaste auf die Kontaktfläche Leistungshalbleiter/Kühlkörper ist selbst für den Geübten stets ein Wagnis, weshalb es optional und derzeit einzigartig einen entsprechenden Service von Semikron gibt.

Anbieter zum Thema

Heitec AG

MES Electronic Connect GmbH & Co. KG

CTX Thermal Solutions GmbH

SEMIKRON International GmbH

Um die Belastbarkeit und Zuverlässigkeit von Leistungsmodulen stetig zu steigern, rücken Halbleiterentwickler die Chips, deren Verbindungstechnik sowie die DCB-Substrate in den Mittelpunkt der Forschung. Doch eine Schwachstelle bleibt: die Fläche zwischen Modul und Kühlkörper. Im Zwischenraum beider Kontaktoberflächen gibt es winzige Unebenheiten, die Umgebungsluft einschließen. Weil Luft ein schlechter Wärmeleiter ist, behindert sie auch den Wärmeaustausch zwischen Modul und Kühlkörper. Das Einbringen einer Wärmeleitpaste soll Unebenheiten ausgleichen. Aber dieser Fertigungsschritt ist eine echte Herausforderung.

Zur Schließung der „Lücke“ bietet SEMIKRON nicht nur seine professionelle Dienstleistung „Wärmeleitpaste auf Modul“ (mit der bereits über 700.000 Module bedruckt wurden), sondern auch grundlegende Kenntnisse in der Anwendung und der Funktion von Wärmeleitmedien.

Verwendungszweck von Wärmeleitmedien

Üblicherweise bestehen Wärmeleitmedien aus einem plastischen Trägerstoff (etwa Silikonöl) und wärmeleitenden Füllstoffen wie Zinkoxid, Grafit oder Silber. Sie werden in Form von Pasten, Klebern, Phase-Change-Materialien und Folien angeboten. Wärmeleitpasten leiten Wärme besser als Luft. Typischerweise besitzen sie eine spezifische Wärmeleitfähigkeit (Lambda) von 0,5 bis 6 W/mK. Die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitmedien ist somit etwa 20 bis 200-mal besser als die Wärmeleitfähigkeit von Luft. Zur Einordnung der Wärmeleitfähigkeiten der Wärmeleitpaste sind in Tabelle 1 die spezifischen Wärmeleitfähigkeiten von Materialien aufgeführt, aus denen typischerweise ein Leistungsmodul aufgebaut ist. Es wurde beispielhaft die Wärmeleitpaste P12 von Wacker angenommen. Die dargestellten Wärmewiderstandswerte R(th) ergeben sich abhängig von modultypischer Wärmespreizung.

Wird die Wärmeleitfähigkeit von Wärmeleitpaste mit der Wärmeleitfähigkeit anderer Bestandteile eines Leistungsmoduls verglichen (Tabelle 1), so schneidet diese schlecht ab. Der Anteil, den Wärmeleitpaste zum Gesamtwärmewiderstand R(thjs) des Moduls beträgt je nach Aufbau ca. 20 bis 65%. Aus diesem Grund sollte die Wärmeleitpastenschicht so dünn wie möglich und so dick wie nötig sein (Bild 1).

Zu geringe Wärmeleitpastenschichtstärken führen zu verbleibenden Lufteinschlüsse zwischen der Modulunterseite und der Kühlkörperoberfläche und damit zu einem hohen thermischen Widerstand Rth(cs). Nach Erreichen des Optimums steigt der thermische Widerstand zwischen Gehäuse und Kühlkörper mit zunehmender Wärmeleitpastenschichtstärke erneut schnell an, da die spezifische Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitmedien (verglichen mit anderen Materialien eines Leistungshalbleitermoduls) sehr gering ist. Der Minimal- bzw. Optimalwert der Wärmeleitpastenschichtstärke ist bei jedem Modul auf Kühlkörper unterschiedlich und muss in Tests definiert werden.

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