Wie sich Fehler beim Wärmeleitpastenauftrag auf Power-Module vermeiden lassen

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Auch die Pastenzusammensetzung ist wichtig

R(th)-Tests haben ergeben, dass die sich im Anwendungsfall einstellende Wärmeleitfähigkeit einer Wärmeleitpaste nicht nur von ihrer spezifischen Wärmeleitfähigkeit, sondern auch von ihrer Zusammensetzung abhängt. Je größer die in einer Wärmeleitpaste enthaltenen Füllstoffpartikel sind, desto höher ist die spezifische Wärmeleitfähigkeit. Die Partikelgröße der Füllstoffe gibt die Mindestschichtstärke vor. D.h. die Wärmeleitpastenschicht kann nicht dünner aufgetragen werden als die größten enthaltenen Partikel. Eine Paste mit kleinen Partikeln (beispielsweise P12: Partikelgröße 0,04 bis 4 µm) erlaubt an Stellen mit einem hohen Anpressdruck nach mehreren Temperaturzyklen einen annähernden „Metall-zu-Metall-Kontakt“, was in der Regel zu einer starken Verringerung des R(thcs) führt.

Das Auftragen von Wärmeleitpaste

Die Wärmeleitpaste kann entweder auf das Modul oder auf den Kühlkörper aufgerollt oder aufgedruckt werden Zum Aufrollen wird typischerweise ein Gummiroller verwendet. Beim Aufdrucken kommen meist Sieb- oder Schablonendruckverfahren zum Einsatz.

Der Auftrag von Wärmeleitpaste mittels Gummiroller kann zu ausreichenden Ergebnissen führen, wenn dieser Montageschritt von erfahrenen und für diesen Prozess geschulten Mitarbeitern durchgeführt wird. Dieser Prozess bringt jedoch Nachteile wie Inhomogenität, mangelnder Reproduzierbarkeit und Verschmutzungsgefahr mit sich.

Pastenauftrag per Rolle oder im Siebdruck

Im Schablonen- und Siebdruckprozess können wesentlich bessere Ergebnisse als im Aufrollprozess erzielt werden, wenn dieser automatisch durchgeführt wird. Erfolgt die Prozessdurchführung manuell, können auch hier größere Prozessschwankungen entstehen. Die Entwicklung eines Prozesses mit einem automatischen Schablonendrucker und einer kontinuierlichen Prozessüberwachung erfordert hohe Investitionen, die sich erst mit hohen Stückzahlen amortisieren.

Bild 2: Modulunterseite mit kritisch aufgetragener Wärmeleitpaste (Archiv: Vogel Business Media)

Neben der Einhaltung einer definierten Schichtstärke ist beim Aufbringen der Wärmeleitpaste darauf zu achten, dass die Wärmeleitpastenschicht gleichmäßig und homogen auf die Modulunterseite oder die Kühlkörperoberfläche aufgetragen wird. Inhomogenität der Wärmeleitpastenschicht (Extremfall: Auftragen eines oder mehrerer Wärmeleitpastenkleckse) kann zu Brüchen der DCB-Keramik führen (Bild 2). Dies gilt nicht nur für bodenplattenlose Module, sondern auch für Module mit Bodenplatte. Darüber hinaus kann Inhomogenität der Wärmeleitpaste auch zu lokalen Überhitzungen führen, wenn Bereiche mit Lufteinschlüssen zwischen Modulunterseite und Kühlkörperoberfläche verbleiben.

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