Bericht vom Workshop über Micropackaging und Wärmemanagement in La Rochelle

Bild 1: Mit über 100 Teilnehmern aus aller Welt war der Workshop 2015 wieder gut besucht.S. Best

In seiner Keynote auf dem zehnten  „European Advanced Technology Workshop on Micropackaging and Thermal Management“ betrachtete Wärmemanagement-Experte Dave Saums von DS&A (Bild 2) die neuen Entwicklungen bei thermischen Materialien. Er begann mit der Frage: Gibt es das ideale TIM und eine universelle Lösung? Dabei müsse man vorsichtig bei der Fragestellung sein: welches Material wählt man? Muss es mechanischen Kräften ausgesetzt werden oder nicht? Nach Saums sind Si-basierende und Phase-Change-Typen schon nahe dem idealen TIM. Es gibt sie dispensierbar oder auf Trägermaterial aufgebracht (Alu, Cu, Kapton oder andere dielektrische Materialen). Gap-Filler sind weniger herausfordernd und TCAs (Thermal Conductive Adhesives) sowie ECAs (Electrically Conductive Adhesives) haben den Vorteil, dass sie keine mechanische Befestigung benötigen. Es gibt aber keine Universallösung, jede Applikation muss für sich betrachtet werden.

Bild 2: Der Keynote-Speaker Dave Saums von DS&A (rechts) gratuliert Alexandre Val, Präsident von IMAP France zum zehnjährigen Jubiläum des Workshops.S. Best

Die Auswahl des TIMs erfolgt in zwei Stufen: Erstens nach der primären Funktion (Isolation, direkter Metallkontakt, Adhesivauftrag ohne mechanische Befestigung, Gapfiller oder andere). Weiter zu beachten sind die mechanische Stabilität (Schock), die EMV und die Reparaturmöglichkeiten. Tabelle 1 zeigt wie die verschiedenen TIM-Materialien in der Praxis eingesetzt werden und Tabelle 2 gibt Hilfestellung bei der Auswahl.

Materialeigenschaften

David Saums ging dann auf die Merkmale einiger ausgewählter TIMs ein. Beim Oriented Fiber Grafit TIM zum Beispiel berichtet er von Schwankungen in den Parametern von Hersteller zu Hersteller, außerdem gebe es unterschiedliche Qualitätsstufen und, erklärt David Saums: Grafit-TIMs sind eigentlich keine TIMs, sondern Wärmespreizer. Metallische TIMs wiederum werden seit vielen Jahren eingesetzt bei auf Flansch montierten Leistungshalbleitern und in den High-End-Modulen des Militärs und der Luftfahrt. Die Indium Corporation beispielsweise hat mit Heatspring eine Familie an strukturierten Indiumfolien in den Markt gebracht.

Auch bei den Wärmespreizern geht die Entwicklung weiter. So findet sich im iPhone ein Alu-Stahl-Clad-Spreizer mit einem 18 µm dicken Adhesive auf einem rostfreien Stahlblech. Neue Entwicklungen haben eine zehnfach bessere thermische Leitfähigkeit, eine geringere Steifigkeit (80 %) und eine Dichte von nur 59 %. Diese neuen Lösungen soll die Kombination aus Stahl/Grafit-TIM ersetzen, ebenso Alu-Lösungen durch kleinere und leichtere funktionelle Spreizer.

Bild 3: Thermische Groundplane, Aufbau (links) und Beispiel für biegsame Ausführung (rechts).DS&A

Auch bei thermischen Groundplanes und aktiven Wärmespreizern gibt es Fortschritte. Die verschiedenen Ansätze für aktive Wärmespreizer zeigt Tabelle 3: Eingesetzt werden Flüssigkeitskanäle für metallische Flüssigkeit eingebettet in Standard Leiterplattenmaterial. Setzt man Galinstan mit seiner guten Leitfähigkeit (15 W/m·K) ein, kann man Halbleitermagnetpumpe verwenden, die wenig Energie (100 mW) benötigen und die sehr klein ausfallen. So konnten thermische Widerstände von 0,120 °C/W erreicht werden, Ziel sind aber 0,045 °C/W. Es gilt aber noch einige Herausforderungen zu überwinden, etwa die Oxydbildung von Galinstan, wenn es Luft ausgesetzt ist.

Bild 4: Die effektive thermische Leitfähigkeit von thermischen Groundplanes erreicht bis zu 1400 W/m·K.DS&A

Groundplane für das Wärmemanagement

Thermische Groundplanes werden in flexibler Form vor allem in Handheld- und Konsumergeräten eingesetzt (Bild 3). Sie werden im Standard-Leiterplattenprozess mit flexiblem Material kostengünstig gefertigt mit Stärken von 0,5 mm (möglich sind 0,2 mm). Die erreichbare effektive thermische Leitfähigkeit geht bis 1400 W/m·K (Bild 4). Mit sehr dünnem Titan verbessert sich Effektivität thermischer Groundplanes bei Leistungen bis 500 W. Außerdem sind diese besser für raue Umgebung geeignet. David Saum ging zu Ende seiner Keynote noch auf einen Verbund-Wärmespreizer speziell für GaN-Halbleiter ein, die wohl zusammen mit den SiC-Typen die reinen Si-Halbleiter ablösen werden.

Bild 5: Doppelseitige Kühlung eines Leistungsboards, bestückt mit IGBTs und Dioden, mittels zweier Substrate.Epsilon-Alcen

Großes Interesse fanden auch die nachfolgenden Vorträge, von denen sich einige mit dem Einsatz von Heatpipes befassten (Atherm, Calyos, Toica). Speziell auf das thermische und Fluid-Design im Automobilbereich ging Epsilon-Alcen zusammen mit aPSI 3D ein. Im Mittelpunkt stand die doppelseitige Kühlung eines Leistungsboards bestückt mit IGBTs und Dioden mittels zweier Substrate (Bild 5). Über Versuche und Simulation ermittelten die Firmen die beste Verteilung der aktiven Chips, wobei sich herausstellte, dass durch die doppelseitige Wärmeabfuhr zwischen den einzelnen Chips kein großer Abstand nötig ist. Allerdings muss die thermische Leitfähigkeit der Bump/Pad-Verbindungen reduziert werden, um die doppelseitige Wärmeabfuhr effektiv zu gestalten. Dann ist die doppelseitige Lösung besser als ein flaches Powermodul. Auch wurde festgestellt, dass dickes AIN-Substrat besser ist als dünnes Al₂O₃.

Bild 6: Auswahl des Materials für Wärmespreizer.ST Microelectronics

Heatspring

Details zu dem oben erwähnten Heatspring von Indium gab es in einem weiteren Vortrag. Das Material hat eine hohe thermische Leitfähigkeit (30…87 W/m·K) und der Wärmewiderstand nimmt über die Zeit sogar ab, dies sind die Vorteile gegenüber Grease/PCM. Gegenüber der Grafitfolie hat Heatspring Vorteile wie die bessere Leitfähigkeit in der Z-Achse. Generell benötigt das Material nur passende Andruckkräfte, schmelzt nicht, fließt nicht und bildet keine Lunker, außerdem ist es einfach aufzutragen.

Thales Alenia untersuchte im Vortrag die Chipmontage mit hochleitfähiger Nanopaste auf Silber-Oxilate-Basis. Ergebnisse waren eine gleichmäßige Verteilung ohne Lunker, die gute Scherfestigkeit und die gute thermische Leitfähigkeit besser als AuSn. Das Material ist konform mit den europäischen und französischen Regeln, sintert bei geringen Temperaturen, besteht bei hohen Temperaturen bis 961 °C, kann wie ein Kleber verarbeitet werden und ist billiger als eine AuSn Preform.

Bild 7: Wirkung eines 70 µm dicken PGS-Spreaders auf einem 1 cm² großen Chip mit 200 µm Stärke (links ohne Spreader, rechts mit).ST Microelectronics

Die Verwendung von Metall-Matrix-Composites (MMCs) für die Wärmeableitung und CTE-Kontrolle war Gegenstand des Vortrags von ICMCB. MMCs gibt es in verschiedenen Formen, als Feststoff oder flüssig sowie auf Al- und Cu-Basis. Der Vortrag ging auf die Herstellung dieser Materialien ein. Der Vortrag von CEA Leti, Minatec und STM befasste sich mit der Wärmespreizung mit PGS-Spreader von Panasonic (Pyrolitic Grafite Sheet), die auf Kohlenstoff basieren (Bild 6) um von Hotspots Wärme abzuführen oder zu verteilen. Dabei ist die Oberflächenbeschaffenheit des PGS ein Schlüsselfaktor. Bild 7 zeigt den Vergleich der Wirkung eines 70-µm-PGS-Spreaders auf einem 1 cm² großen Chip mit 200 µm Stärke.

Simulation und mehr

Bild 8: Der Stand des einzigen deutschen Ausstellers, Kunze Folien, war immer gut besucht.S. Best

Auch zum Themen Simulation/Test/Messung gab es eine Reihe von Vorträgen: „TSB-based 3D thermal testchip“ von CEA Leti, Minatec, „Thermal simulation and temperature measurement of GaN high power amplifier for airborne applications“ von Thalès Systemes Aéroportés, „Transient thermal measurement and analysis techniques of high power modules for determination of heat transfer coefficient at different ambient condition“ und „Thermal characterization of metals, and highly conductive substrates and die attach Materials using steady state technique“, beide von der Berliner Firma Nanotest und Design, „Thermal impedance measurements of integrated microinductors using infrared thermography“ von der Technical University of Lodz und schließlich „Power cycling tests with different control strategies“ von Mentor Graphics.

Der nächste European Advanced Technology Workshop on Micropackaging and Thermal Management in La Rochelle findet vom 2. bis 4. Februar 2016 statt.

(lei)