Technische Informationen - All
Werbung
Technische Informationen LEISTUNGSHALBLEITER OPTIMAL ENTWÄRMEN Hohe Leistungsdichte und hohe Qualitätsstandards erfordern eine optimale und prozesssichere Entwärmung von Leistungselektronikmodulen. Nachfolgend erhalten Sie einen praktischen Überblick über die Möglichkeiten des thermischen Managements. Bei leistungselektronischen Geräten und Systemen ist die Wärmeentwicklung ein entscheidender Faktor. Eine zu hohe Temperatur führt zu einer erheblichen Verkürzung der Lebensdauer und im schlimmsten Fall auch zur Zerstörung des Moduls. Jeder Temperaturwechsel verursacht zudem mechanische Spannungen im Bauelement, die vor allem die Löt- und Bondverbindungen belasten. Die sich im Betrieb meist sehr stark erwärmenden, hoch integrierten Leistungsbauteile müssen daher zur Kühlung thermisch an Wärmesenken angekoppelt werden; je nach Applikation und Leistungsdichte können neben Kühlkörpern aus Aluminiumlegierungen auch Gehäuseteile, Druckgussgehäuse oder Kupferbleche Verwendung finden. Diese Kühlelemente spreizen aufgrund ihrer sehr großen Oberfläche die Wärme auf und führen sie mittels natürlicher Konvektion an die Umgebung ab. Die Kühlwirkung kann durch Einsatz von Lüftern noch verbessert werden, was besonders bei beengten Raumverhältnissen notwendig werden kann. Dabei muss jedoch die Lebensdauer des Lüfters berücksichtigt werden. In hochwertigen Spezialapplikationen kommen auch Heatpipes oder Flüssigkeitskühler trotz ihrer verhältnismäßig hohen Kosten zum Einsatz. Alle diese Kühlkonzepte können nur dann erfolgreich wirken, wenn eine effiziente thermische Anbindung zwischen Leistungshalbleiter und Kühlelement erreicht wird. Der optimalen Wärmeableitung stehen dabei allerdings drei entscheidende Faktoren entgegen: 1. die Oberflächenrauheit, 2. die Konvexität bzw. Konkavität der Oberflächen und 3. die meist geforderte elektrische Isolation. Grundlagen Der Transport der Wärme von der Quelle (z.B. Sperrschicht des Halbleiters) erfolgt durch mehrere Schichten verschiedener Materialien, bevor sie durch freie Konvektion oder durch aktive Anströmung (erzwungene Konvektion) an die Umgebungsluft abgeführt wird. Der Wärmestrom H (pro Zeiteinheit transportierte Wärmemenge Q) durch eine Schicht im thermischen Gleichgewicht ist allgemein gegeben durch: H= dQ dT = -k A x dt dx A bezeichnet die Kontaktfläche, dT/dx ist der Gradient der Temperatur über der Schichtdicke und k die spezifische thermische Leitfähigkeit des Interface-Materials. Bei einem homogenen Material gleicher Dicke und im thermischen Gleichgewicht vereinfacht sich die Formel zu: H = kA x 146 T2 - T1 d Die Temperatur T2 ist größer als T1, d bezeichnet die Schichtdicke. Die spezifische thermische Leitfähigkeit k ist eine Materialkonstante. Je höher der Wert für k bei sonst gleicher Geometrie, desto besser ist der Wärmetransport. Kupfer: Aluminium (99%): Grafit: Stahl: Luft: 390 W/mK 220 W/mK 169 W/mK 45 W/mK 0,0026 W/mK Analog der Formel für den elektrischen Strom lässt sich die obige Gleichung auch schreiben als H = ∆T R H x R = ∆T th th Rth bezeichnet den Wärmewiderstand. Durch Vergleich mit obiger Formel ergibt sich für Rth der folgende Ausdruck: www.heatmanagement.com R = th d kxA Rth wird allgemein in der Einheit °C / W angegeben. Wie man sieht, ist der thermische Widerstand sowohl von den Abmessungen als auch von der Wärmeleitfähigkeit des Materials abhängig. Der Wärmewiderstand wird umso geringer, je größer die Kontaktfläche, je höher die thermische Leitfähigkeit und je geringer die Schichtdicke ist. Er wird daher auch als Rth Material bezeichnet. Ein weiterer wesentlicher Einflussfaktor auf den thermischen Übergang zwischen zwei Kontaktflächen ist der thermische Kontaktwiderstand Rth Kontakt. In der Realität weisen Oberflächen immer eine Rauheit auf. Je größer die Fläche, desto geringer ist auch der Kontakt durch konvexe, konkave oder wellenartige Unebenheiten. Bei kleinen Flächen wie z.B. bei TO-220-Gehäusen ist dieses Problem allerdings weitgehend vernachlässigbar. Da der thermische Leitwert von Luft sehr gering (0,0026 W/mK) ist, verschlechtern vorhandene Lufteinschlüsse den thermischen Übergang. Der Wärmepfad ist somit auf die tatsächlichen Kontaktpunkte der Kontaktflächen beschränkt. Der thermische Kontaktwiderstand ist also abhängig von der Fläche, der Oberflächengüte, der Ebenheit, der Anpassungsfähigkeit des Interface-Materials und dem aufgewandten Druck. Fazit Der thermische Gesamtübergangswiderstand ist somit die Summe aus dem thermischen Widerstand der Interface-Materialien und dem thermischen Kontaktwiderstand. In der Praxis sind die Kontaktflächen durch die Dimensionen der Komponentengehäuse vorgegeben. R th Total =R th Material +R th Kontakt Die applikationsabhängig benötigte Durchschlagfestigkeit des Isolationsmaterials setzt eine Mindeststärke der wärmeleitenden Schicht voraus. Ist diese nicht gegeben, ist die wärmeleitende Schicht nicht in der Lage, Unebenheiten oder Grate auszugleichen. Je größer die Oberflächen sind, desto mehr muss deren Konvexität bzw. Konkavität berücksichtigt werden. Beide verursachen mehr oder weniger große Lufteinschlüsse, die den Wärmeübergangswiderstand erheblich erhöhen. Dadurch wird die Wärmeableitung drastisch verschlechtert und es kann zu einer Überhitzung oder gar einem Totalausfall kommen. MAßNAHMEN ZUR VERRINGERUNG DES THERMISCHEN ÜBERGANGSWIDERSTANDES Bei größeren Oberflächen wie bei IGBTs (Insulated Gate Bipolar Transistor / Halbleiterbauelement) wird zur Kompensation der Konvexität bzw. Konkavität üblicherweise die Auflagefläche auf dem Kühlkörperprofil mechanisch optimiert, da die zur Verfügung stehenden Entwärmungsmethoden größere Abstände nicht ohne höheren Kostenaufwand überbrücken können. In der Vergangenheit wurde zur Entwärmung der Leistungshalbleiter meist Wärmeleitpaste in Verbindung mit Glimmer zur elektrischen Isolation verwendet. Solange keine elektrische Isolation benötigt wird und der Glimmer somit entfallen kann, lässt sich bei sachgemäßer Aufbringung eine gute thermische Anbindung erreichen. Auch heute wird Wärmeleitpaste teilweise noch eingesetzt, obwohl verschiedene Nachteile bekannt sind: Aufwändige und meist nicht unerheblich zeitintensive Aufbringung Je nach Auftragungsart ist die Prozesssicherheit nicht immer gewährleistet Wärmeleitpaste kann ausbluten oder austrocknen Bei Berücksichtigung aller Fertigungsfaktoren häufig kostenmäßig ungünstiger als moderne Alternativen Eingeschränkte Lagerfähigkeit durch Temperaturempfindlichkeit und begrenzte Lebensdauer www.heatmanagement.com 147 Technische Informationen Abhilfe hat hier die Entwicklung der so genannten Phasenwechselmaterialien gebracht, die ohne die genannten Nachteile der Wärmeleitpaste eine gleichwertige oder bessere thermische Anbindung der Oberflächen erreichen. Phasenwechselmaterialien Crayotherm® Es handelt sich hierbei um eine spezielle Wärmeleitwachsmischung, die bei 50°-60°C ihre Konsistenz von fest in weich verändert, dabei eine Volumenexpansion um ca. 10% vollzieht und die natürlichen Rauheiten der Oberflächen benetzt. Durch diesen Vorgang werden alle unerwünschten Lufteinschlüsse ausgetrieben, was eine hervorragende thermische Verbindung garantiert. Bei Unterschreiten der Temperatur kehrt das Medium wieder in den festen Zustand zurück, ohne dass sich die Verbindung der Kontaktoberflächen verschlechtert. Mit dieser Methode wird in der Regel der geringstmögliche Wärmeübergangswiderstand erzielt. Zur mechanischen Stabilisierung können Phasenwechselmaterialien je nach Anforderung auf elektrisch isolierende Träger wie z.B. Polyimide oder andere Kunststoffe aufgebracht werden. Wird keine elektrische Isolation benötigt, können Metalle wie z.B. Aluminium als Substratträger dienen. Phasenwechselmaterialien garantieren eine durchgehende Schichtdicke, eine schnelle und saubere Montage sowie eine hohe Prozesssicherheit. Elastomere In den 1980er-Jahren wurden wärmeleitende Elastomere als Ersatz für Wärmeleitpaste mit Glimmer eingeführt. Das gebräuchlichste Elastomer ist Silikonkautschuk. Neben hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit und guter chemischer Stabilität verfügt dieses Basismaterial über eine hohe Temperaturbeständigkeit. Die thermische Leitfähigkeit bei gleichzeitig hoher Isolationsfestigkeit wird bei Silikon durch Beimischung diverser Keramiken wie Silica, Al2O3, Aluminium- bzw. Bornitrid erreicht. Je höher der Anteil der verwendeten Keramik, desto besser ist die Wärmeleitfähigkeit – allerdings steigt damit auch der Härtegrad des Materials. 148 Silikon ist hoch isolationsfest, alterungsbeständig, sehr weich und anpassungsfähig. Es neigt jedoch zu geringfügigem Ausgasen, was in manchen Applikationen nicht erwünscht ist. Durch seine Weichheit kann es relativ leicht mechanisch bearbeitet werden, was auch die Herstellung komplexer Geometrien ermöglicht. Das Spektrum dieser Folien weist eine maximale Wärmeleitfähigkeit von 1 bis 6 W/m x K auf. Sie sind in einer Dicke von 0,1 bis zu 10 mm erhältlich. Zur Erhöhung der mechanischen Stabilität können sie auf Glasfaser oder einen anderen Substratträger aufgebracht werden. Zur Vereinfachung der Montage werden die Materialien auch einseitig oder beidseitig haftend angeboten. Folien dicker als 0,5 mm werden in der Regel als Gap Filler genutzt, durch deren weiche Konsistenz Toleranzen und Unebenheiten gut ausgeglichen werden. Die Kompressionsrate beträgt hierbei je nach Härte und Füllungsgrad maximal 40%. Durch die richtige Wahl des Anpressdrucks lässt sich somit der geringstmögliche Wärmeübergangswiderstand erreichen. Wärmeleitendes Silikon kann auch als Ein- oder Zweikomponentenmasse zum Einsatz kommen. Hierzu werden entsprechende Dispensvorrichtungen benötigt, um eine durchgehende prozesssichere Dicke für die elektrische Isolation zu gewährleisten. Wärmeleitendes Silikonmaterial ist auch in Kappen- oder Schlauchform erhältlich. Silikonfreie Wärmeleitmaterialien Bei silikonkritischen Applikationen (z.B. bestimmte optische Anwendungen) kommen silikonfreie Folien auf Acrylbasis zum Einsatz. Die erreichbare Wärmeleitfähigkeit beträgt maximal etwa 1,5 W/m x K bei gleichzeitig hoher elektrischer Durchschlagfestigkeit. Acryl ist bis höchstens 120°C temperaturbeständig. Auch Acrylfolien bieten die vielseitigen Bearbeitungsmöglichkeiten von Silikon. www.heatmanagement.com Technische Keramiken Keramische Isolierscheiben bestehen vorwiegend aus Aluminiumoxid oder Aluminiumnitrid. Die Wärmeleitfähigkeit und die elektrische Isolation der Keramikscheiben ist hervorragend. Die typische Dicke beginnt bei etwa 0,5 mm und reicht bis zu mehreren Millimetern. Sie weisen höchste Temperaturbeständigkeit auf, müssen aber aufgrund der harten und rauen Oberfläche noch mit Wärmeleitpaste oder -wachs versehen werden, da ansonsten nur ein sehr schlechter Wärmefluß möglich ist. Keramikscheiben sind zudem aufgrund ihre extremen Härte recht bruchanfällig. Reine Keramik kann bis ca. 3 mm Dicke mithilfe von Schneideanlagen bearbeitet werden. Dicken darüber sind recht aufwändig und nur mit teuren Werkzeugen zu fertigen, was entsprechende Stückzahlen voraussetzt. Grafitmaterialien Hochreines Grafit (Kohlenstoff) besitzt eine hervorragende Wärmeleitfähigkeit sowie eine hohe Temperaturbeständigkeit bis 450°C, Hochleistungskohlenstoffe sogar bis 650°C. Zur Entwärmung von Hot Spots haben sich Grafitfolien in hohem Maße bewährt, da sie aufgrund ihrer Struktur anisotrop wärmeleitend sind. In der X-Y-Richtung werden Werte von bis zu 170 W/mK erzielt, in der Z-Richtung bis zu 12 W/mK. Voraussetzung für einen optimalen Wärmefluss ist eine hohe Oberflächengüte. Zur Montagevereinfachung sind Grafitfolien mit einseitiger Klebebeschichtung verfügbar, die dadurch aber einen höheren Wärmeübergangswiderstand aufweisen. Grafite sind elektrisch nicht isolierend und in verschiedenen Dicken lieferbar. Alle technisch möglichen Formen können kostengünstig angefertigt werden. * Nicht brennbar nach UL 94 VO / UL 94 VTM Underwriter Labatories Kunststofffolien Polyimide, Polyester, Polycarbonat, Polypropylen, Aramidpapier usw. werden vorwiegend zur elektrischen Isolation in Bauelementen eingesetzt. Sie weisen eine sehr hohe elektrische Durchschlagfestigkeit auf, sind nur schwer entflammbar bis nicht brennbar *. Diese Materialien sind zugleich mechanisch zäh und flexibel. Polyimidfolien können zudem auch als Interface-Material eingesetzt werden. Trotz ihrer relativ niedrigen Wärmeleitfähigkeit besitzen sie die Eigenschaft, bei geringen Dicken von 25-125 µm einen verhältnismäßig guten Wärmefluss zu gewährleisten. Voraussetzung ist hier jedoch eine sehr gute Oberflächenbearbeitung, da die feste Struktur der Polyimidfolie keine Möglichkeit bietet, Unebenheiten auszugleichen. Durch ihre Stabilität sind sie hervorragend als Substratträger zur Beschichtung mit wärmeleitendem Silikon oder phasenwechselndem Wärmeleitwachs geeignet. Schlussbemerkung Die Wahl des geeigneten Materials kann durch Berechnungen und vorangehende thermische Simulationen unterstützt werden. Diese Maßnahmen können bei der Entwicklung der Leistungselektronik erheblich Kosten einsparen und wesentlich schneller die Lösung des Wärmeproblems herbeiführen. Allerdings geben sie nur die Zielrichtung vor: sie ersetzen nicht die abschließende, praktische Erprobung der Applikation, bei der dann auch eine Wärmebildkamera hilfreich sein kann. AUCH IN ZUKUNFT IST WÄRMEMANAGEMENT NICHT ZU VERNACHLÄSSIGEN Das Wärmemanagement in der Leistungselektronik wird auch in Zukunft einen sehr hohen Stellenwert einnehmen. Gerade viele Zukunftstechnologien stellen hohe Anforderungen an die Entwärmung der Baugruppen. Die zunehmend höhere Leistungsdichte bei gleichzeitig geringeren Abmessungen der Geräte verlangt zudem immer spezifischere Lösungen. In vielen Anwendungsgebieten sind Wärmeleitmaterialien zwingend notwendig. Dazu gehören Photovoltaik, Brennstoffzellen, High Power LEDs, Elektrofahrzeuge, Ultracaps und Power Control Units. Weitere Anwendungsgebiete werden folgen. www.heatmanagement.com 149 Technische Informationen Umrechnungstabelle SI- Industrielle Physikalische Britische Einheit Einheit Einheit Thermische Leitfähigkeit W / m°K kcal / mh°C cal / cm · s°C BTU / ft · h · °F SI-Einheit 1 0,85985 0,00239 0,5778 Industrielle Einheit 1,163 1 0,00278 0,672 Physikalische Einheit 4,1686 360 1 241,9 Britische Einheit 1,73070 1,48810 0,00413 1 Thermischer Widerstand °C / W °Ch / kcal °Cs / cal °F · h / BTU SI-Einheit 1 1,163 4,1868 0,293 Industrielle Einheit 0,85985 1 3,6 0,252 Physikalische Einheit 0,23885 0,27778 1 0,0633 Britische Einheit 3,4129 3,96825 14,30615 1 Fertigungstoleranzen Alle Produkte werden nach den Vorgaben der DIN ISO 2768-mK gefertigt. Material- bzw. fertigungsbedingte Änderungen vorbehalten. Bestimmung der elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften Die elektrische Isolation der Wärmeleitfolien und Isolationsfolien wird durch deren Durchschlagfestigkeit bestimmt. Je höher die Durchschlagspannung, um so besser das Isolationsverhalten. Die Bestimmung der elektrischen Eigenschaften erfolgt nach internationalen Standards (Normen DIN, IEC,ASTM etc.) 150 Einheit des Wärmeleitwertes verschiedenster Materialien (etwa Feststoffe, Pasten, Folien, Dünnschichtmaterialien von zehn bis 2000 Mikrometer). Die verschiedenen Messmodule ermitteln die Wärmeleitwerte in Z-Richtung, in X-/Y-Richtung (anisotrop) oder auch die der Kombination X-Y-Z. Mit der zugehörigen Messeinrichtung kann zusätzlich die spezifische Wärmekapazität der zu messenden Materialien ermittelt werden. Die Messungen erfolgen mit Druckbeaufschlagung bis maximal 1 kN. Messungen an PhaseChange-Materialien werden bei Phasenwechsel-Temperatur von bis zu 70°C durchgeführt. Die Bestimmung der thermischen Eigenschaften erfolgt nach ISO 22007-2. Modernste Einrichtungen und Messanlagen wie Härteprüfgeräte und Kraft-Wege-Messsysteme ermöglichen die Charakterisierung und Bestimmung der Elastizität, Zugfestigkeit, Rückfederungskraft, Härte und Dehnung. Die Wärmeleitfähigkeitsmessanlage wurde in enger Zusammenarbeit mit dem Gerätehersteller für die speziellen Bedürfnisse und Anforderungen von Thermal-Interface-Materialien entwickelt und hergestellt. Hier erfolgt die Messung Härteprüfgeräte werden zur Messung von weichen Kunststoffen und Elastomeren nach DIN 53505, ASTM-D2240 und ISO 27588 (Shore A, Shore 00 und VLRH [Very Low Rubber Hardness] für sehr weiche Materialien) und zur www.heatmanagement.com Messung der Rückfederungsrate (Hysterese) von weichen Kunststoffen verwendet. gefertigt und als Stanz-, Schneide- oder Biegeteile geliefert werden. Kraft-Wege-Messsysteme ermitteln die Biegeund Dehnungskräfte an Halbleiterklammern und Federelementen sowie die Werte der mechanischen Durchstoßfestigkeit verschiedenster Materialien (Dornprüfung). Lieferbar in Rollenform, in Sheetform / Matten, als Schüttgut, in Zuschnitten und Sonderformen nach Kundenspezifikation. Auch werden Zug- und Reißfestigkeitsmessungen sowie Druckfestigkeitsmessungen durchgeführt und das Kraft-Wege-Verhältnis analysiert. In Kombination mit der mechanischen Simulation erlaubt dieses Messgerät unter anderem die exakte Auslegung von Federelementen. Lieferformen Unsere Produkte sind in einer Vielzahl von Standardbauformen für Leistungshalbleiter erhältlich. Daneben können sie nach kundenspezifischen Vorgaben mit modernsten Methoden www.heatmanagement.com Lagerbedingungen Alle Produkte ohne Klebe- oder Haftbeschichtung unterliegen bei sachgemäßer Lagerung unter Normbedingungen (Raumtemperatur 18 22°C, rel. Luftfeuchte 50 - 70%, ohne direkte Sonneneinwirkung) und im Originalgebinde üblicherweise keiner Beschränkung der Lagerfähigkeit (Haltbarkeit). Abweichende oder begrenzte Haltbarkeiten ergeben sich für Klebebänder und haft- oder kleberbeschichtete Folientypen. 151
