Wie sich Fehler beim Wärmeleitpastenauftrag auf Power-Module vermeiden lassen

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CTX Thermal Solutions GmbH

SEMIKRON International GmbH

Messen der Stärke von Wärmeleitpastenschicht

Wärmeleitpastenschichtstärken können direkt oder indirekt ermittelt werden. Ein indirektes Verfahren ist beispielweise eine Messung des Gewichtes der Wärmeleitpaste über eine Tara-Wägung mit einer geeigneten Waage. Direkte berührungslose Messungen der Wärmeleitpastenschicht lassen sich beispielsweise mit einem optischen Profilometer, wie dem µSCAN (Hersteller Nano Focus) durchführen. Messgeräte, die die Wärmeleitpastenschicht direkt messen, jedoch teilweise zerstören, sind z.B. Nassfilmprüfkämme (etwa ZND 2050-2054 von Zehntner oder Elcometer Instruments) oder Nassfilmprüfräder (wie ZWW 2100-2108 ebenfalls von Zehntner).

Bestimmung der optimalen Wärmeleitpastenschichtstärke

Die optimale Mindestschichtstärke einer bestimmten Wärmeleitpaste in Verbindung mit einer bestimmten Kühlkörperoberfläche kann in einem definierten Prozess festgelegt werden, der bei einer Mindestschichtstärke von ca. 10 µm gestartet und in 10-µm-Schritten angehoben wird (alternierende Schritte sind ebenfalls möglich). Dabei wird die Wärmeleitpaste auf das Modul oder den Kühlkörper bzw. eine Aluminiumplatte aufgetragen, die den Vorgaben des Modulherstellers entsprechen. Das Anziehen der Befestigungsschraube sollte mit dem Drehmoment erfolgen, das der Modulhersteller vorgibt. Um einen entspannten Zustand des System zu simulieren, muss das aufgeschraubte Modul drei Temperaturzyklen (20 °C/100 °C/1h) unterzogen werden.

Nach dem Durchlaufen der Temperaturzyklen kann ein grundplattenloses Modul nach dem Lösen der Schrauben nicht ohne weiteres zerstörungsfrei abgelöst werden, da sich durch das Anpressen des Moduls an den Kühlkörper bzw. die Aluminiumplatte und das Verteilen der klebrigen Wärmeleitpaste im Zwischenraum eine enorme Haftkraft entwickelt hat. Um ein zerstörungsfreies Ablösen zu ermöglichen, sollte das Modul nach dem Lösen der Schraube etwa 12 Stunden unter Raumtemperatur verweilen oder ein bis zwei Temperaturzyklen unterzogen werden.

Nach dem Abschrauben des Moduls lässt sich anhand des Abdruckbildes bewerten, ob die aufgetragene Wärmeleitpastenmenge zu einem optimalen Kontakt zwischen dem Modul und dem Kühlkörper geführt hat. Bild 3 links: auf der Modulunterseite sind große Stellen mit unberührter Wärmeleitpaste sichtbar, die auf einen zu dünnen Wärmeleitpastenauftrag (ca. 30 µm) hinweisen. Bild 3 rechts: die Modulunterseite ist vollständig mit Wärmeleitpaste bedeckt, abgesehen von Stellen mit sehr hohem Druck, an denen ein „Metall-zu-Metall-Kontakt“ erreicht wird. Das weist auf einen optimalen Wärmeleitpastenauftrag (ca. 50 µm) hin.

Mit einer Wärmeleitpastenschichtstärke, die individuell für ein System „Modul auf Kühlkörper“ ausgelegt ist und in einem automatisierten Prozess mit gleichbleibender Qualität aufgetragen wird, können die Schwächen des Wärmeleitmediums bis zu einem gewissen Grad ausgeglichen werden. Die „Lücke“ zwischen dem Leistungsmodul und dem Kühlkörper bleibt jedoch weiterhin das Element mit dem höchsten Verbesserungspotenzial.

*Dieter Esau ist Prozessingenieur und Dr. Michaela Strube arbeitet in der Service- Entwicklung bei SEMIKRON, Nürnberg.

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