semikron application-note an-10-001 thermal-paste-application en 2010-03-30 rev00

7/21/2019 SEMIKRON Application-Note an-10-001 Thermal-paste-Application en 2010-03-30 Rev00

1/6

Application Note

Revision:

Issue Date:

Prepared by:

0

2010-03-30

Dieter Esau

Key Words: Thermal paste

THERMAL PASTE APPLICATION

AN-10-001

1 / 62010-03-30 Rev0 by SEMIKRON

Verwendungszweck von Wrmeleitmedien.......................................................................................................... 1Verfahren zum Auftragen von Wrmeleitpaste.....................................................................................................3Verfahren zum Messen von Wrmeleitpastenschichtstrken .............................................................................. 4Bestimmung der optimalen Wrmeleitpastenschichtstrke..................................................................................5Referenzen ........................................................................................................................................................... 6

Verwendungszweck von Wrmeleitmedien

Ein Leistungsmodul erzeugt im Betrieb elektrischeVerluste, die die Temperatur des Moduls erhhen undseine Leistungsfhigkeit bzw. Funktionalitt begrenzen.Um die im Modul entstehende Wrme abzufhren,werden Leistungsmodule auf Khlkrper montiert. DieWrme kann somit vom Leistungsmodul in denKhlkrper geleitet werden. Die Wrmebertragungzwischen der wrmeableitenden Oberflche desLeistungsmoduls und der Khlkrperoberflche hngtvon der Beschaffenheit der jeweiligen Oberflchen ab.Sowohl die Khlkrperoberflche als auch diewrmeableitende Oberflche des Leistungsmodulsweisen Unebenheiten auf. Daher verbleibt Luft zwischenbeiden Flchen, die eine direkte Wrmebertragungverhindert. Da Luft Wrme sehr schlecht leitet (diespezifische Wrmeleitfhigkeit von Luft liegt beiair 0,03 W/mK), kann die Wrme an den Khlkrpernur in geringem Umfang weitergeleitet werden (sieheAbb. 1)

Lufteinschlsse

Abb. 1: Wrmebertragung eines Leistungsmoduls in einenKhlkrper ohne Wrmeleitmedium

Eine geeignete Manahme zur Verbesserung derWrmebertragung ist die Auffllung der Lufteinschlssemit einem Wrmeleitmedium (siehe Abb. 2).

Wrmeleitmedium

Abb. 2: Wrmebertragung eines Leistungsmoduls in einenKhlkrper mit Wrmeleitmedium

Khlkrper

Grundplatte bzw. DCB des Leistungsmoduls

Khlkrper

Grundplatte bzw. DCB des Leistungsmoduls


2/6

Application Note AN-10-001

2 / 6 2010-03-30 Rev0 by SEMIKRON

blicherweise bestehen Wrmeleitmedien aus einemplastischen Trgerstoff (z.B. Silikonl) undwrmeleitenden Fllstoffen wie Zinkoxid, Grafit1 oderSilber1. Sie werden in Form von Pasten, Klebern, Phase-Change-Materialien und Folien angeboten.Wrmeleitmedien leiten Wrme besser als Luft.Typischerweise besitzen sie eine spezifische

Wrmeleitfhigkeit im Bereich von 0,5 - 6 W/mK. DieWrmeleitfhigkeit von Wrmeleitmedien ist somit ca. 20bis 200mal besser als die Wrmeleitfhigkeit von Luft.Zur Einordnung der Wrmeleitfhigkeiten derWrmeleitmedien sind in Tab. 1 die spezifischenWrmeleitfhigkeiten von Materialien aufgefhrt, ausdenen typischerweise ein Leistungsmodul aufgebaut ist.Es wurde beispielhaft die Wrmeleitpaste P12 vonWacker angenommen. Die dargestellten R(th)-Werteergeben sich in abhngig von modultypischerWrmespreizung.

Tab. 1: Spezifische Wrmeleitfhigkeiten typischerMaterialbestandteile eines Leistungshalbleitermoduls

Wird die Wrmeleitfhigkeit von der Wrmeleitpaste mitder Wrmeleitfhigkeit anderer Bestandteile einesLeistungsmoduls verglichen (siehe Tab.1), so schneidetdiese schlecht ab. Der Anteil, den die Wrmeleitpastezum Gesamtwrmewiderstand R(thjs) des Modulsbeitrgt, betrgt je nach Modul undKhlkrperkombination ca. 20-65%3. Aus diesem Grundsollte die Wrmeleitpastenschicht so dnn wie mglichund so dick wie ntig sein (siehe Abb.3)

1Diese Stoffe sind elektrisch leitend.2Die Fllstoffpartikel (ZnO) der Wrmeleitpaste WackerP12 haben einen Durchmesser von 0,04m bis 4m.Daher ist die Wrmeleitpaste sehr gut fr dnne

Wrmeleitpastenschichten geeignet.3Eine Wrmeleitpaste mit hherer spezifischerWrmeleitfhigkeit bringt hier meist keine Verbesserung,da mit einer solchen meist eine deutliche Erhhung derWrmeleitpastenschichtstrke einhergeht.

Abb. 3: Abhngigkeit des thermischen Widerstands von derWrmeleitpastenschichtdicke

Zu geringe Wrmeleitpastenschichtstrken fhren zuverbleibenden Lufteinschlssen zwischen derModulunterseite und der Khlkrperoberflche und damitzu einem hohen thermischen Widerstand Rthcs. NachErreichen des Optimums steigt der thermische

Widerstand Rthcs mit zunehmenderWrmeleitpastenschichtstrke erneut schnell an, da diespezifische Wrmeleitfhigkeit der Wrmeleitmedien -verglichen mit anderen Materialien einesLeistungshalbleitermoduls - sehr gering ist. DerMinimalwert ist bei jedem System (Modul auf Khlkrper)unterschiedlich und muss in Tests definiert werden.

Je nach Modultyp sind in der jeweiligen MountingInstruction die Wrmeleitpastenschichtstrken und dieQualitt der Oberflchenbeschaffenheit des Khlkrpersbeschrieben.

Die von SEMIKRON verwendete und empfohlene

Wrmeleitpaste P12 der Fa. Wacker liegt bezglich derspezifischen Wrmeleitfhigkeit im unteren Bereich.Fr die Verwendung dieser Wrmeleitpaste sprechenfolgende Aspekte:

R(th)-Tests haben ergeben, dass die sich imAnwendungsfall einstellende Wrmeleitfhigkeit einerWrmeleitpaste nicht nur von ihrer spezifischenWrmeleitfhigkeit , sondern auch von ihrem innerenAufbau abhngt (siehe dazu Tab.2). Je grer die ineiner Wrmeleitpaste enthaltenen Fllstoffpartikel sind,desto hher ist die spezifische Wrmeleitfhigkeit. DiePartikelgre der Fllstoffe gibt dieMindestschichtstrke vor. D.h. dieWrmeleitpastenschicht kann nicht dnner aufgetragenwerden als die grten enthaltenen Partikel dick sind.Eine Paste mit kleinen Partikeln (z.B. P12:Partikelgre 0,04m bis 4m) erlaubt an Stellen miteinem hohen Anpressdruck nach mehrerenTemperaturzyklen einen annhernden Metall-zu-Metall-Kontakt, was in der Regel zu einer starkenVerringerung des Rthcsfhrt.

Die Paste verhlt sich bezglich der EigenschaftenAusbluten und Austrocknen sehr zuverlssig.

Die nachfolgende Tabelle zeigt einen Ausschnitt auseiner Reihe von Wrmeleitmedien, die bei SEMIKRONuntersucht wurden.

Material SpezifischeWrmeleit-

fhigkeit [W/(mK)]

Schicht-dicke

[m]

R(thjs)-Anteil am

SKiM-Modul

Chip 106 120 2.92%

Chip Lot 57 70 3.65%

DCB (Kupfer) 394 300 1.94%

DCB (Al2O3) 24 380 32.91%

DCB (Kupfer) 394 300 1.31%

Wrmeleitpaste(P12 von

WACKER)2

0.81 30 57.26%

Schichtstrke derWLP

Minimal-wert

Maximal-wert

Rthcs


3/6



Tab. 2: bersichtstabelle mit einem Ausschnitt getesteter Wrmeleitmedien

Verfahren zum Auftragen von Wrmeleitpaste

Die Wrmeleitpaste kann entweder auf das Modul oderauf den Khlkrper aufgetragen werden. DieWrmeleitpaste kann aufgerollt oder aufgedruckt werden.Zum Aufrollen wird typischerweise ein Gummirollerverwendet (siehe Abb. 4). Beim Aufdrucken kommenmeist Sieb- oder Schablonendruckverfahren zumEinsatz.

Der Auftrag von Wrmeleitpaste mittels Gummirollerkann zu ausreichenden Ergebnissen fhren, wenn dieserMontageschritt von erfahrenen und fr diesen Prozesssensibilisierten Mitarbeitern durchgefhrt wird. DieserProzess bringt jedoch Nachteile wie Inhomogenitt,mangelnde Reproduzierbarkeit undVerschmutzungsgefahr mit sich.

Abb. 4: Auftragen der Paste mittels Gummirolle

Beim Schablonendruckverfahren wird meist mit einer

Edelstahlschablone und einer Edelstahlrakel gedruckt.Die effektive Wrmeleitpastenschichtstrke ergibt sichber das Verhltnis der gefllten Flche zur nicht

gefllten Flche und der Hhe der aufgetragenen Dots,die ber die Schablonendicke bestimmt wird.

Beim Siebdruckverfahren kommt meist das technischeGewebe Monolen-PET und eine Rakel aus Polyurethanmit einer Hrte von 75 Shore zum Einsatz. Die Dicke desGarns und die Anzahl der Garne pro Lngeneinheitbestimmen dabei die Wrmeleitpastenschichtstrke.

Im Schablonen- und Siebdruckprozess knnenwesentlich bessere Ergebnisse als im Aufrollprozesserzielt werden, wenn dieser automatisch durchgefhrtwird. Erfolgt die Prozessdurchfhrung manuell, knnenauch hier grere Prozessschwankungen entstehen. DieEntwicklung eines Prozesses mit einem automatischenSchablonendrucker und einer kontinuierlichenProzessberwachung wie bei SEMIKON bedarf hoherInvestitionen, die sich erst mit hohen Stckzahlenamortisieren.

Sieb- und Schablonendruckverfahren gibt es in allenAutomatisierungsstufen. Im Folgenden sei beispielhaftein manuelles Siebdruckverfahren auf einem Khlkrpererlutert.

Verfahren zum Auftragen von Wrmeleitpaste mit einemmanuellen Siebdruckverfahren (Abb.5):a) Reinigung der Oberflche mit einem Fett lsenden

Reinigungsmedium. Positionierung des Khlers in derVorrichtung. Die Siebdruckschablone darf dabei dieOberflche des Khlkrpers nicht berhren. Um dies zu

Bezeichnung;Hersteller

Beschreibung Silikon-haltig

El.leitend

MglicheAuftragsverfahren

Anwend-bareSchicht-dicken inm

ber-gangs-wrme-wider-stand

SpezifischeWrmeleit-fhigkeit W/(m*K)(Datenblatt)

P12, Wacker Paste, Fllstoff: Al2O3 Ja Nein Rolle, Sieb-/Schablonendruck

10-100 + 0,81

HTC, Electrolube Paste, Fllstoff: AL2O3 Nein Nein Rolle, Sieb-/Schablonendruck

10-100 + 0,9

PSX-P8, HalaContec GmbH

Phase-Changer, Fllstoff:Aluminiumpulver

Nein Nein Rolle, Sieb-/Schablonendruck

10-100 + 3,4

TIC 1000A,Bergquist

Paste, Fllstoff: Al2O3 Ja Ja Rolle, Sieb-/Schablonendruck

15-100 O 1,5

TIC 4000,Bergquist

Paste, Fllstoff:Flssigmetall

Ja Ja Rolle, Sieb-/Schablonendruck

ca. 100 + 4,0

KU ALC-5, KunzePhase-ChangerausAluminiumfolie mitWachsbeschichtung

Nein Ja Manuell (Hand) ca. 76 O 220

KU ALF, Kunze Phase Changer ausAluminiumfolie mitWachs-grafitbeschichtung

Nein Ja Manuell (Hand) ca. 76 + 220

Keratherm 86/50,Kerafoil

Folie, Fllstoff: Bornitrid Ja Nein Manuell (Hand) 120 - 2,9

Q2-Pad, Bergquist Aluminiumfolie mitGraphitb-eschichtung

Ja Ja Manuell (Hand) 152 - 2,5


4/6


4 / 6 2010-03-30 Rev0 by SEMIKRON

gewhrleisten sollte der Abstand zwischen Sieb undKhlkrper ca. 4 - 7 mm betragen.b) Fllen/Fluten der Siebdruckschablone mitWrmeleitpaste mit ganz wenig Druck.c) Auftragen der Wrmeleitpaste mit derPolyurethanrakel mit soviel Druck, dass das Gewebe bisan die zu bedruckende Oberflche gedrckt wird.

d) Sichtprfung.

Abb. 5: Auftragen der Wrmeleitpaste mit einem manuellenSiebdruckverfahren

Neben der Einhaltung der empfohlenen Schichtstrkenist beim Aufbringen der Wrmeleitpaste darauf zuachten, dass die Wrmeleitpastenschicht gleichmig

und homogen auf die Modulunterseite oder dieKhlkrperoberflche auftragen wird. Inhomogenitt derWrmeleitpastenschicht (Extremfall: Auftragen einesoder mehrerer Wrmeleitpastenkleckse) (Abb. 6) kann zuBrchen der DCB-Keramik fhren. Dies gilt nicht nur frbodenplattenlose Module sondern auch fr Module mitBodenplatte. Darber hinaus kann Inhomogenitt derWrmeleitpaste auch zu lokalen berhitzungen fhren,wenn Bereiche mit Lufteinschlssen zwischenModulunterseite und Khlkrperoberflche verbleiben.

Abb. 6: Modulunterseite mit kritisch aufgetragenerWrmeleitpaste

Verfahren zum Messen vonWrmeleitpastenschichtstrken

Wrmeleitpastenschichtstrken knnen direkt oderindirekt ermittelt werden. Ein indirektes Verfahren ist

beispielweise eine Messung des Gewichtes derWrmeleitpaste ber eine Tara-Wgung mit einergeeigneten Waage. Direkte berhrungslose Messungender Wrmeleitpastenschicht knnen beispielsweise mit

einem optischen Profilometer, wie z.B. den SCAN vonNano Focus durchgefhrt werden. Messgerte, die dieWrmeleitpastenschicht direkt messen, jedoch teilweisezerstren sind z.B. Nassfilmprfkmme oderNassfilmprfrder.

Der Nassfilmmesskamm (z.B. von Zehntner (ZND

2051) oder Elcometer Instruments oder BYK Gardner(PG-3504)) verfgt am Rand ber Sttzzhne undMesszhne, die von der Oberflche definierte Abstndehaben. Beim Ziehen des Kamms in horizontaler Richtungbei gleichzeitiger orthogonaler Ausrichtung des Kammszur Oberflche (siehe Abb.7) verbleiben Pastenspurenan jenen Zhnen, die unterhalb der Oberflche deraufgetragenen Pastenschicht liegen. Wie in Abb.8dargestellt, liegt die Dicke der beispielhaft gemessenenSchicht im Bereich von 25m bis 30 m. Die Messungkann sehr leicht durch unsachgeme Handhabung,Oberflchenunebenheiten oder auch durch abstehendeSpitzen in der Wrmeleitpastenoberflche verflschtwerden.

Abb. 7: Prfung der Wrmeleitpastenschicht mit einem

Nassfilmmesskamm

Abb. 8: Prfung der Wrmeleitpastenschicht mit einem

Nassfilmmesskamm (hier PG-3504 von BYK Gardner)

Bei Verwendung eines Nassfilmprfrades (z.B. vonZehntner (ZWW 2100-2102), siehe Abb.9 oder BYKGardner) zur Prfung der Wrmeleitpastenschichtstrkeknnen genauere Ergebnisse als bei Verwendung einesNassfilmmesskammes erzielt werden. Das Messradbesteht aus zwei Sttzscheiben, die an den Auenseitensitzen, und einer Messscheibe, die sich zwischen denSttzscheiben befindet. Das Messrad wird ber die mitWrmeleitpaste bedruckte Oberflche gerollt (sieheAbb.9). Aus den Abdrcken auf der inneren Messscheibelsst sich die Wrmeleitpastenschichtstrke ablesen

(siehe Abb.10).

Messzhne

2 25 30 m

90

Khlkrper

Ziehrichtung

Messkamm

Wrmeleitpaste

Anschraub-lcher

Wrmeleitpasten-kleckse

Anschraub-lcher

a b

c d

Sttzzhne

Wrme-leit-paste


5/6



Abb. 9: Prfung der Wrmeleitpastenschicht mit einemNassfilmprfrad (hier ZWW 2102 von Zehntner)

Abb. 10: Prfung der Wrmeleitpastenschicht mit demNassfilmprfrad (hier ZWW 2102 von Zehntner)

Bestimmung der optimalenWrmeleitpastenschichtstrke

Je nach Modultyp sind in der jeweiligen MountingInstruction die Wrmeleitpastenschichtstrken und dieQualitt der Oberflchenbeschaffenheit des Khlkrpersbeschrieben. Die angegebenen Schichtstrken geltenaber meist nur fr die Wrmeleitpaste Wacker P12.Sollen andere Wrmeleitpasten verwendet werden, soempfiehlt sich das im Folgenden beschriebeneVerfahren:

Es werden definierte variierendeWrmeleitpastenschichtstrken auf die Module oder denKhlkrper aufgetragen. Ein Modul kann auf einenNormkhlkrper oder auf eine den jeweiligen MountingInstruction entsprechenden Aluminiumplatteaufgeschraubt werden. Das Anziehen derBefestigungsschrauben sollte mit dem Drehmomenterfolgen, das in der jeweiligen Mounting Instructionangegeben ist. Um einen entspannten Zustand desSystem zu simulieren, muss das aufgeschraubte Moduldrei Temperaturzyklen (20C/100C/1h) unterzogenwerden (siehe Abb. 11).

Abb. 11: Temperaturzyklus zur Bestimmung der optimalenWrmeleitpastenschichtstrke

Durch das Anpressen des Moduls an denKhlkrper/Aluminiumplatte und das Verteilen derklebrigen Wrmeleitpaste im Zwischenraum kann eingrundplattenloses Modul nach dem Lsen der Schraubennicht ohne Weiteres zerstrungsfrei abgelst werden.Um ein zerstrungsfreies Ablsen zu ermglichen, solltedas Modul nach dem Lsen der Schraube ca. 12Stunden unter Raumtemperatur verweilen oder 1-2Temperaturzyklen unterzogen werden. Die verbliebeneWrmeleitpaste kann anschlieend meist mit einemfuselfreien Tuch ohne Lsungsmittel entfernt werden(hier ggf. Angaben des Wrmeleitpastenherstellersbeachten).

Jedes Modul sollte nur einmal verwendet werden, da sichdurch das Anschrauben und Ablsen die

Druckeigenschaften verndern knnen. Es sollten frjede zu prfende Wrmeleitpastenschichtstrkemindestens zwei Module verwendet werden.

Nach dem Abschrauben des Moduls kann anhand desAbdruckbildes bewertet werden, ob die aufgetrageneWrmeleitpastenmenge zu einem optimalen Kontaktzwischen dem Modul und dem Khlkrper gefhrt hat.

Wenn die Modulunterseite vollstndig mit Wrmleitpastebedeckt ist, abgesehen von Stellen mit sehr hohemDruck, an denen ein Metall-zu-Metall-Kontakt erreichtwird, weist dies auf einen optimalenWrmeleitpastenauftrag hin (siehe Abb. 12).

Abb. 12: OptimaleWrmeleitpastenschichtstrke ca. 50m

Sind auf der Modulunterseite groe Stellen mitunberhrter Wrmeleitpaste sichtbar,weist dies auf einenzu dnnen Wrmeleitpastenauftrag hin (sieheAbb. 13).

Abb. 13: Zu geringeWrmeleitpastenschichtstrke ca. 30m

Temperaturzyklus

0 60 120 180

t [min]

Tempera

tur

10 0C

20C

Temperaturzyklus

0 60 120 180

t [min]

Tempera

tur

Temperaturzyklus

0 60 120 180

t [min]

Tempera

tur

Temperaturzyklus

0 60 120 180

t [min]

Tempera

tur

10 0C

20C

Bereich, an dem die Pastenschichtnicht mehr berhrt

Auf der Messskala kann das Ergebnisab elesen werden


6/6


6 / 6 2010-03-30 Rev0 by SEMIKRON

Referenzen

1. Freyberg, M.: Application of thermal paste for powermodules without base plate. SEMIKRONInternational, 1999.

2. Kolpakov, A. I.: SKiiP intellektualnye silovye IGBTmoduli SEMIKRON in Komponenty i technologii Nr.1, 2003

3. Kolpakov, A. I.: SKiM novoe pokolenieintellektualnych silovych modulej SEMIKRON. Inlektronnye komponenty, Nr. 1, 2003

4. Kolpakov, A. I.: SEMITOP kak alternativa TO. In:Silovaja lektronika, Nr. 2, 2004

5. Goldman, W. E.: An Introduction to the Art of HeatSinking. In: Electronic Packaging and Production,

19666. Strube M (2007) Wrmeleitpastenauftrag alsDienstleistung. Elektronik Praxis Nr.10, S. 24

7. Strube M (2007) Thermal Paste Spread and Readyfor Use. Bodo's Power System May 2007, S. 24

DISCLAIMER

SEMIKRON reserves the right to make changes without further notice herein to improve reliability, function or design.Information furnished in this document is believed to be accurate and reliable. However, no representation or warranty isgiven and no liability is assumed with respect to the accuracy or use of such information. SEMIKRON does not assume anyliability arising out of the application or use of any product or circuit described herein. Furthermore, this technical informationmay not be considered as an assurance of component characteristics. No warranty or guarantee expressed or implied ismade regarding delivery, performance or suitability. This document supersedes and replaces all information previouslysupplied and may be superseded by updates without further notice.

SEMIKRON products are not authorized for use in life support appliances and systems without express written approval bySEMIKRON.

SEMIKRON INTERNATIONAL GmbHP.O. Box 820251 90253 Nrnberg Deutschland Tel: +49 911-65 59-234 Fax: +49 911-65 59-262

[email protected] www.semikron.com

semikron application-note an-10-001 thermal-paste-application en 2010-03-30 rev00

Documents