Thermisches Interface

Mythen und Legenden über Wärmeleitmaterialien

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Die Legende vom Abdruckbild stimmt auch nicht

Nicht weniger irreführend als der Blick durch die Glasplatte ist die Interpretation von Abdruckbildern. Die Idee dahinter ist, dass man einen Aufbau aus Halbleiter, Wärmeleitpaste und Kühlkörper für eine begrenzte Zeit arbeiten lässt, anschließend demontiert und die verbleibenden Abdrücke der Wärmeleitmaterialien auf Kühlkörper und Modul bewertet. Der gleiche Ansatz wird oft verfolgt, wenn Halbleiter zerstört wurden und Ursachenforschung unumgänglich wird. Im zweiten Fall besteht zwar die Möglichkeit, dass man auf ein völliges Versagen der thermischen Anbindung tippen kann, eine belastbare Aussage gewinnt man allerdings nicht.

Für eine Bewertung, welche thermischen Qualitäten das zerlegte, bei Raumtemperatur betrachtete Material unter applikationsnahen Temperaturen und unter hohem mechanischen Druck stehend gehabt haben könnte gibt es allerdings keine Grundlage.

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Als Beispiel dient der Abdruck eines Moduls der Bauform EconoPACK+, wie er in Bild 4 dargestellt ist. Die übliche Aussage zu einem solchen Erscheinungsbild ist, dass sich das Material nicht verteilt habe, die aufgetragene Menge ganz offensichtlich zu gering war und der thermische Transport daher mangelhaft gewesen sein muss.

Die mit diesem Modul gemessenen Chiptemperaturen im Belastungstest ergeben genau das gegenteilige Bild. Hier wurde mit keinem anderen Material eine ähnlich niedrige Chiptemperatur erreicht; das mit Thermographie ermittelte Testergebnis war das konkurrenzlos beste.

Das NTC-Gerücht – der Zusammenhang bestätigt sich

Der NTC ist ein Temperatursensor, der häufig im Modul integriert ist. Ist das thermische Modell, das den NTC an die Chiptemperatur koppelt, genau genug definiert, kann aus dem Widerstandswert des NTC ein Rückschluss auf die Chiptemperatur erfolgen.

Tatsächlich ist der NTC an den thermischen Pfad angeschlossen und solange das hinterlegte thermische Modell stimmt, ist der Zusammenhang zwischen NTC-Temperatur und Chiptemperatur deterministisch.

Eine Störung am thermischen Modell, die zum Beispiel auf das Versagen des thermischen Interfaces zurückzuführen ist, kann zu einer Fehlinterpretation der vom NTC gelieferten Daten führen. Bild 5 zeigt das Ergebnis aus einem Versuchsaufbau, in dem das Modul senkrecht montiert und zyklisch belastet ist.

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Durch die senkrechte Montage entsteht eine Vorzugsrichtung für die Bewegung von pastösen Materialien. Durch die thermo-mechanische Belastung fließt die im Test verwendete Paste nach unten. Im oberen Bereich des Moduls entsteht ein schlechter angebundenes Areal, die Chiptemperaturen steigen.

Der im Modul montierte NTC sitzt hier an der unteren Kante. Seine thermische Situation veränderte sich im Test bis zur Zerstörung des Halbleiters nicht. Die Interpretation des Abdruckbildes nach dem Test war allerdings eindeutig, unterhalb des oberen Drittels des Moduls war kein Material mehr vorhanden.

Im Umgang mit Wärmeleitmaterialien wird häufig mehr geglaubt als gemessen. Aber glauben heißt nicht wissen – dem Entwickler kann daher nur empfohlen werden, die Chiptemperatur, den einzig entscheidenden Parameter für eine lange Lebensdauer, genau zu beobachten.

* Dr.-Ing. Martin Schulz arbeitet im Application Engineering bei Infineon Technologies AG, Warstein.

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