Thermisches Interface Effekte und Optimierung thermischer Kontaktflächen

Autor / Redakteur: Wilhelm Pohl, Jürgen Schmidt, Erwin Nagy* / Kristin Rinortner

Für einen optimalen thermischen Kontakt in Halbleitermodulen ist das Zusammenspiel von Interfacewerkstoff und Druck entscheidend, das via Simulation optimiert werden kann

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( Archiv: Vogel Business Media )

Sehr gut leitfähige Wärmeleitmaterialien sind nur dann als Elemente in der Kühlkette optimal, wenn der thermische Kontaktwiderstand annähernd null ist. Um den den Widerstand erhöhenden Einfluss von Rauigkeiten und Welligkeiten zu minimieren, werden in der Praxis thermische Interface-Werkstoffe mechanisch über eine Feder vorgespannt. Die Federkraft und die Spannungsverteilung in der Feder lassen sich über eine Finite-Elemente-Simulation optimieren, was zu einer besseren Kühlwirkung und letztendlich zu einer höheren Leistungsfähigkeit und Betriebssicherheit der Anwendung führt.Bei der Kühlung elektronischer Bauelemente ist der thermische Gesamtübergangswiderstand von der Wärmequelle bis zur Wärmesenke entscheidend. Dabei kommt es vor allem auf die thermische Anbindung des Halbleitergehäuses an die Wärmesenke über ein die Verlustwärme leitendes Interface-Material an. Der thermische Widerstand dieses Gliedes im thermischen Pfad setzt sich aus zwei Kontaktwiderständen und dem Innenwiderstand des Wärmeleitmaterials zusammen (Gleichung 1).

Rth = Rth Kontakt 1 + Rth Material + Rth Kontakt 2

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Der Anteil des Innenwiderstands ist im Wesentlichen abhängig von der Materialdicke d und der thermischen Leitfähigkeit Lambdades Interface-Werkstoffs sowie der Kontaktfläche A gemäß Gleichung 2.

Rth Material = d / (Lambda A)

Die thermischen Kontaktwiderstände hängen vor allem vom auf das Material ausgeübten Druck und der Beschaffenheit der Oberflächen ab. Dabei beeinflussen Gestaltabweichungen in Form von Welligkeiten und Rauigkeiten den thermischen Übergang und den Übergangskoeffizienten Alpha. Es gilt Gleichung 3.

Rth Kontakt = 1 / (Alpha A)

Rauigkeit und Welligkeit bei Halbleitermodulen

Typische Abweichungen bei Halbleitergehäusen oder Halbleitermodulen von der idealen, planen Oberfläche sind Rauigkeitswerte Ra von etwa 0,5 bis 5 µm und Werte für die Welligkeiten Wt im Bereich von 10 bis 50 µm in Quer- und Längsrichtung.

Je geringer der thermische Innenwiderstand des Werkstoffs ist, desto größer ist der Anteil der thermischen Kontaktwiderstände. Der Einfluss der Kontaktwiderstände ist bei dünnen, thermisch sehr gut leitfähigen Interface-Materialien besonders groß. Bild 1 zeigt die druckabhängigen Kontaktwiderstände von mit PCM** beschichteten wärmeleitenden Kaptonfilmen unterschiedlicher Dicke im Verhältnis zu den thermischen Gesamtwiderständen. Die Kontaktwiderstände wurden grafisch bei einer theoretischen Dicke von 0 mm ermittelt. Die Wärmeleitfähigkeit und die Wärmeübergangskoeffizienten lassen sich ebenfalls hinreichend genau abschätzen.

Elektrisch nicht isolierende Werkstoffe wie Metalle mit sehr hohen Leitfähigkeiten (z.B. Aluminium – 99,5% – mit Lambda = 221 W/mK) funktionieren nur dann richtig, wenn die Kontaktwiderstände, die den Großteil des thermischen Widerstands ausmachen, gegen null gehen. Bei solchen Werkstoffen lassen sich Oberflächenrauigkeiten in ihrer Wirkung auf den thermischen Widerstand meist durch Kontaktbeschichtungen (z.B. durch Phasenwechsel-Wachse oder andere Polymere) ausgleichen. Lufteinschlüsse mit der sehr niedrigen Leitfähigkeit von 0,025 W/mK werden unter Druckeinwirkung weit gehend eliminiert. Einschränkungen betreffen die maximal erreichbaren bzw. tolerierbaren Drücke und die Kosten für ein aufwändiges Oberflächenfinish.

Welligkeiten sind Gestaltabweichungen niederer Ordnung und haben entscheidenden Einfluss auf die thermische Kontaktfläche. Sie können nur durch abgestimmte Befestigungslösungen in ihrer Wirkung verringert werden.

Richtige Federgeometrien bestimmen

Um die mechanische Vorspannung bei der Befestigung zu erhöhen, sind die dünnen Halbleiterbasisplatten in der Regel konvex geformt. Aus dieser Tatsache ergibt sich eine Abhängigkeit der Kontaktfläche vom Ort der Krafteinleitung und der Höhe der durch ein Befestigungselement generierten Kraft. Um den notwendigen Anpressdruck zu erzeugen und Bauteiltoleranzen auszugleichen, werden dazu meist Federelemente verwendet.

Der Kraftbereich einer Feder muss so dimensioniert sein, dass die Arbeitspunkte auf der charakteristischen Druck-Widerstandskennlinie des eingesetzten thermischen Interface-Werkstoffs weit gehend im asymptotischen Bereich liegen. Das muss auch im Fall unvermeidbarer maximaler negativer Summentoleranzen gewährleistet sein. Andererseits darf bei maximalen positiven Toleranzen die Federstahllegierung mechanisch nicht überbeansprucht werden.

Durch hohe Federkraft allein wird die Kontaktfläche nur bedingt vergrößert. Entscheidend ist ebenfalls der Ort der Krafteinleitung und damit die bessere Anpassung der Basisplatte an die Auflagefläche der Wärmesenke. Resultat ist eine höhere Kontaktfläche.

Effekte unterschiedlicher Krafteinwirkungen

Um die Effekte unterschiedlicher Krafteinwirkungen mittels CFD-Thermosimulation zu analysieren, wurde die Halbleiterbasisplatte in mehrere unterschiedlich große Segmente aufgeteilt. Durch die Steifigkeit und die örtlich unterschiedliche Wölbung der Basisplatte wirken unterschiedlich hohe Drücke auf das Wärmeleitmaterial.

Somit stellen sich je nach Segment andere Arbeitspunkte auf der charakteristischen Widerstands-Druck-Kurve (Rth = f(p)) des Wärmeleitmaterials und folglich unterschiedliche thermische Widerstände ein. Dabei wird angenommen, dass der thermische Kontakt flächendeckend ist und Luftspalte ausgeschlossen sind.

Es wurden sechs Szenarien bei einem Verlustleistungseintrag von 8 W durch einen MOSFET im TO-247-Gehäuse (Bild 2) untersucht:

  • Szenario 0: Annahme eines idealen Kontaktwiderstandes von 0 K/W
  • Ideal homogene Druckverteilungen: Szenario 1) 370; 2) 300; 3) 250; 4) 125 kPa
  • Szenario 5: Simulation einer einseitigen Schraubbefestigung mit Kippmoment und mit inhomogener Druckverteilung durch in Längsrichtung des Gehäuses von 250 auf 50 kPa absinkenden Drücken
  • Szenario 6: Simulation einer zentralen Krafteinleitung mit inhomogener Druckverteilung durch die konvexe Basisplatte (max. 250 kPa im zentralen Segment, min. 50 kPa in den Außensegmenten)

Individuelles Design der Befestigung durch FE-Simulation

Die Ergebnisse in Bild 3 zeigen die szenarioabhängigen Unterschiede der sich an verschiedenen Stellen des thermischen Pfades einstellenden Temperaturen. Szenario 0 ist mit idealen Kontaktwiderständen von 0 K/W thermisch am besten, wenngleich unrealistisch. Die homogene Druckverteilung mit 370 kPa führt bei Szenario 1 zum besten praktischen thermischen Ergebnis.

Bei den homogenen Druckverteilungen der Szenarien 2 bis 4 entscheidet jeweils der Druck über die Höhe des thermischen Kontaktwiderstands. In Szenario 5 wurde eine Befestigungslösung mittels dezentraler Verschraubung mit Kippmomentbildung in Längsrichtung simuliert. Die resultierende Druckverteilung führt zur schlechtesten Anbindung. In Szenario 6 bleibt die Basisplatte durch die zentrale Krafteinwirkung konvex. Die inhomogene Druckverteilung führt zu nur sehr mittelmäßigen thermischen Ergebnissen. Bild 4 zeigt die simulierten Temperaturverteilungen der Szenarien 1 bis 6.

Technisch lässt sich eine Annäherung an eine homogene Druckverteilung nur durch ein individuelles Design der federnden Befestigungslösung und deren Geometrie erreichen. So führt die universelle Federformgebung gemäß Bild 5, rechte Seite zu einer vorteilhaften Krafteinleitung in die Außenbereiche von Halbleitergehäusen wie z.B. von TO-220- und TO-247-Gehäusen. Dadurch wird wertvolle thermische Kontaktfläche gewonnen und der thermische Widerstand gemäß Rth ~ 1/A sowohl bei Quer- als auch bei Längsorientierung der auf das Halbleitergehäuse aufgebrachten Federkraft verringert.

Gleichzeitig führt die mithilfe der Finiten-Elemente-Simulation optimierte Federgeometrie gemäß Bild 6 mit ihrer charakteristischen taillierten Aussparung zu einer weit gehend homogenen Biegespannungsverteilung. Darüber hinaus kann eine günstigere Federkennlinie im Unterschied zu massiven Federelementen oder punktförmig wirkenden Geometrien eingestellt werden.

Mit diesem integrierten Lösungsansatz können der thermische Kontakt mit unmittelbarem Einfluss auf die Kühlung der Leistungshalbleiter und die Leistungsfähigkeit sowie die Betriebssicherheit der Anwendung verbessert werden.

*Dr. Wilhelm Pohl ist Geschäftsführer der HALA Contec GmbH & Co. KG in Ottobrunn, Jürgen Schmidt arbeitet als Consultant Wärmemanagement bei der Serviceforce.Com GmbH in Frankfurt; Erwin Nagy ist Geschäftsführer des Konstruktionsbüros KBN in Germering.

**PCM – Phase Change Materials, Werkstoffe mit Phasenwechsel (z.B. Wachs)

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