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Lebensdauerbetrachtung Auswahl und Zuverlässigkeit thermischer Interface-Materialien

| Autor / Redakteur: Robert Liebchen * / Gerd Kucera

Eine um 10 K höhere Temperatur halbiert die Lebensdauer des Chips. Thermisches Interface-Material senkt Verlustwärme zuverlässig, wenn richtig angewandt und die thermische Situation korrekt bewertet.

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Bild 1: Überblick über verschiedene TIM-Arten.
Bild 1: Überblick über verschiedene TIM-Arten.
(Bild: DHBW)

Ein thermisches Interface-Material (TIM) wird an thermisch hoch belasteten Stellen eingesetzt, um die Entwärmung zwischen zwei Festkörpern zu optimieren. Das TIM verdrängt die in den Hohlräumen eingeschlossene Luft zwischen diesen Körpern und senkt durch Ableitung der Verlustwärme die Temperatur im Halbleiter. Damit verlängert sich die Lebensdauer des Leistungshalbleiters.

Doch was passiert, wenn das TIM altert und sich der thermische Widerstand nach wenigen tausend Zyklen um 20% erhöht? Dies führt zwangsläufig zu einer Erhöhung der Temperatur im Halbleiter. Nach dem Gesetz von Arrhenius halbiert eine Temperaturerhöhung um 10 K die Lebensdauer der Elektronik. Aus diesem Grund werden elektronische Systeme mit TIM auf ihren thermischen Widerstand bei Lebensdauerende ausgelegt. Diese Auslegung soll für eine ausreichende Qualität der Produkte über den vorgesehenen Lebenszyklus sorgen.

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Bei der thermischen Auslegung einer Elektronik spielt die Auswahl des TIMs eine entscheidende Rolle. Im Idealfall kann auf das TIM komplett verzichtet werden. Bei jedem Fertigungsprozess gibt es Herstelltoleranzen; es entsteht eine Abweichung zur Konstruktion. Dazu kommen Gestaltabweichungen wie Rauheit, Welligkeit, konkave und konvexe Verformungen sowie Kratzer, Grate und Verschmutzungen die z.B. bei der Montage entstehen. Luft ist ein schlechter Wärmeleiter.

Bei 80 °C beträgt ihre Wärmeleitfähigkeit nur 0,03 W/(mK). Deshalb entsteht auch bei kleinster Schichtdicke im Bereich von 1 µm ein kritischer und vor allem unkontrollierbarer thermischer Widerstand. Bei der statistischen Toleranzrechnung addieren sich die geometrischen Fehler der Einzelteile zu einem unteren und oberen Grenzwert. Dadurch ergeben sich für den thermischen Kontaktwiderstand Streuungen, die für die Qualität und Lebensdauer der Elektronik maßgebend sind.

Das Ziel muss sein, diesen Kontaktwiderstand kontrollier- und reproduzierbar zu gestalten. Die statistische Toleranzrechnung liefert die Spaltmaßanforderungen für das TIM. Aus den thermischen Anforderungen für die Halbleiter Temperatur erhalten wir die Vorgabe für den maximalen thermischen Widerstand im Wärmepfad. Dieser wird z.B. mit Hilfe thermischer Simulationsrechnungen bestimmt. Weitere Auswahlparameter sind die elektrische Isolationseigenschaft und die Montagebedingungen.

Für die Montage wird das TIM in zwei Klassen unterteilt: vorgeformte und dispensbare Materialien. Vorgeformte TIMs sind harte und weiche Pads, Phase Change Material (PCM), Gap Pads oder Grafit-Folien. Diese können mit einer klebenden oder haftenden Beschichtung ausgeführt sein. Diese Beschichtung sorgt zwangsläufig zu einer Erhöhung des thermischen Widerstandes im Vergleich zur nicht beschichteten Variante. Zu den dispensbaren TIMs zählen Pasten, Gapfiller, Gele oder Klebstoffe. In Bild 1 ist eine Einteilung der TIMs nach ihren thermischen Widerständen und den dazugehörigen Spaltweiten (TIM-Dicke) dargestellt.

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