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Thermisches Interface Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien

| Autor / Redakteur: Dr.-Ing. Martin Schulz * / Gerd Kucera

Im Umgang mit Wärmeleitmaterialien wird häufig mehr geglaubt als gemessen. Dem Entwickler kann daher nur empfohlen werden, die Chiptemperatur genau zu beobachten.

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Thermographische Aufnahme: Belastungstest eines eines EconoPACK+
Thermographische Aufnahme: Belastungstest eines eines EconoPACK+
(Bild: Infineon)

Die thermische Auslegung von Leistungselektronik ist die Grundlage dafür, dass später die Applikation ihre prognostizierte Lebensdauer erreicht und damit einer der Schlüsselfaktoren im Designprozess.

Kern eines leistungselektronischen Systems ist der Wärmetransport, darin enthalten das Thermische Interface Material (TIM). Falscher Umgang mit diesem Material oder Ungenauigkeiten bei der Auslegung können zu verheerenden Folgen beim Betrieb der Anlagen führen.

Immer wenn die Neuentwicklung oder die Optimierung bestehender Systeme ansteht stellt sich dem Entwickler die Frage, welcher Leistungshalbleiter auf welchem Kühlkörper zum Einsatz kommt. Das thermische Interface, das den Halbleiter an den Kühlkörper anbindet, wird oft nicht mit in Betracht gezogen. Häufig ist ein Material im Einsatz, von dem der Entwickler als gegeben ausgeht; was seit Jahren gut ist kann eben heute auch nicht schlecht sein.

Dies ist bereits die erste Fehleinschätzung, denn genau wie Leistungshalbleiter haben sich auch die Wärmeleitmaterialien in den letzten Jahren weiterentwickelt. Begibt sich der Entwickler auf die Suche nach einem Ersatz, steht er vor einer unüberschaubaren Menge an potenziellen Kandidaten und der Frage, wie diese zu bewerten und gegeneinander abzuwägen sind.

Mythos Datenblattwert – Vergleich der Ergebnisse

Nach Recherche und dem Zusammentragen von Daten bezüglich möglicher Alternativen macht der Entwickler den gewohnten Schritt: Er greift zum Datenblatt eines Herstellers, vergleicht verschiedene Materialien anhand ihrer thermischen Leitfähigkeit und berechnet in einer Simulation die resultierende Chiptemperatur.

Ein typisches Szenario umfasst dabei

  • die höchste zu erwartende Umgebungstemperatur,
  • den bekannten thermischen Widerstand RthJC von der Hitzequelle, dem Chip, bis zur Modulbodenplatte,
  • den aus Messungen bekannten thermischen Widerstand des Kühlkörpers RthHA,
  • den Widerstand einer homogenen Schicht aus Wärmeleitpaste mit einem thermischen Widerstand nach Datenblatt; wahlweise können Datenblattwerte des Halbleiterherstellers Angaben für den Übergang von Bodenplatte zu Kühlkörper Rthch einfließen, die im Datenblatt als typischer Wert unter der Annahme eines üblichen Wärmeleitmediums gegeben sind.

Mit Hilfe dieses vereinfachten thermischen Modells, dargestellt in Bild 1, ergibt sich bei genauer Kenntnis der Verlustleistung im Chip die Chiptemperatur aus reiner Mathematik.

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Wie wenig zuverlässig ein solches Modell ist zeigt sich, wenn Vergleiche zwischen den rechnerischen Werten aus dem Modell echten Messwerten gegenüberstehen. In einem Versuchsaufbau, der dem Test verschiedener Alternativen galt, wurden Leistungshalbleiter mit Wärmeleitmaterialien in einem Schablonendruckprozess beschichtet und auf Kühlkörper montiert.

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