Bild 1: Das Modul trägt eine Schicht Phase-Change-Material.

Bild 1: Das Modul trägt eine Schicht Phase-Change-Material.Vincotech

Die aus Schalt- und Leitverlusten entstehende Verlustleistung eines Halbleiters wird normalerweise über einen Kühlkörper abgeführt. Um den thermischen Kontakt zwischen Modul und Kühlkörper zu erhöhen, kommen Wärmeleitmaterialien wie Wärmeleitpasten oder Wärmeleitfolien zum Einsatz. Da beide Materialien aber eine geringe thermische Leitfähigkeit aufweisen, sollten Entwickler diese in möglichst geringen Schichtdicken auftragen.

Auf einen Blick

Aufgedrucktes Phase-Change-Material lässt sich automatisiert mittels eines Siebdruckprozesses reproduzierbar auftragen. Es ist fest bei Raumtemperatur und wird erst ab Temperaturen über 45° C weich und füllt Zwischenräume. Dabei ist das Material thixotrop und fließt nur unter Druck. Dazu zählt auch die Formstabilität, wenn das Modul durch einen Lötofen fährt. Auch Power Module mit Press-fit-Kontakten sind kein Ausschlusskriterium für das Verwenden von PCM.

Denn es gilt: Je dicker die Schicht, desto höher der Temperaturfall und desto höher die Sperrschichttemperatur. Um einen möglichst guten thermischen Widerstand (Rth) zu erzielen, stattet Vincotech seine Flow-Module mit einer Schicht aufgedrucktem Phase-Change-Material aus. Je nach Modulgröße und Typ können die Schichtdicke sowie das Muster variieren. Der dazu verwendete Siebdruckprozess gewährleistet eine sichere Applizierung sowie einen guten Rth.

Das Phase-Change Material (PCM) ist bei Raumtemperatur im festen Zustand. Damit gibt es keine speziellen Vorschriften während des Transports, der Handhabung oder der Verarbeitung der Module. Das Material ist thixotrop; das heißt, dass das Material im flüssigen Zustand ohne Druck nicht fließt. Daher kann das Material mit durch den Lötofen fahren. Bild 1 zeigt die Rückseite eines Flow0-Moduls mit einer aufgedruckten Schicht PCM.

Was dahinter steckt

Tabelle 1: Die physikalischen und die thermischen Eigenschaften des PCMs.

Tabelle 1: Die physikalischen und die thermischen Eigenschaften des PCMs.Vincotech

Verwendung findet das Phase-Change-Material Loctite PSX-Pm. Das Material hat den Vorteil, dass es sich mit einem Sieb oder einer Schablone auftragen lässt. Es wird im flüssigen Zustand aufgetragen und trocknet anschließend unter Temperatureinfluss. Das Material hat eine wesentlich höhere thermische Leitfähigkeit gegenüber Standard-Wärmeleitpasten (Tabelle 1).

Durch den besseren Rth sinkt die Sperrschichttemperatur des Halbleiters. Bei diesem PCM handelt es sich um silikonfreies Material. Nachdem das Material getrocknet ist, lässt sich das Modul wie jedes andere behandeln. Seine besonderen Eigenschaften sind:

  • Eine schnelle und einfache Montage des Moduls,
  • eine optimale Schichtdicke,
  • der verbesserte Rth und reduzierte Bruchgefahr der DCB,
  • ein automatisierter Siebdruckprozess,
  • kein Risiko das Material zu verschmieren,
  • der feste Zustand des Materials bei Raumtemperatur,
  • das Verwenden des Standardlötprozesses ist möglich und
  • die Kompatibilität zu Modulen mit Press-Fit-Kontakten.

Module mit aufgedrucktem PCM

Bild 2a: Nach dem Auftragen des PCMs entstehen Abstände und Muster.

Bild 2a: Nach dem Auftragen des PCMs entstehen Abstände und Muster.Vincotech

Vincotech rüstet seine Flow-Module im Rahmen eines zusätzlichen Services mit aufgedrucktem PCM aus. Die Module sind UL-gelistet, womit auch das PCM automatisch der UL-Listung entspricht. Die Modullieferung erfolgt in Standard-Blister-Verpackungen, wodurch die Rückseite des Moduls geschützt ist. Es empfiehlt sich, die Module in den Blistern aufzubewahren. Ein Alterungseffekt des Materials ist nicht bekannt. Das Material durchlief eine Reihe von Tests, wie den Thermal-Shock- und den High-Temperature-Storage-Test, um die Langzeitstabilität zu sichern.

Bild 2b: Nach dem Auftragen des PCMs entstehen Abstände und Muster.

Bild 2b: Nach dem Auftragen des PCMs entstehen Abstände und Muster.Vincotech

Die Bilder 2a und 2b zeigen Muster und Abstände des PCMs auf der Rückseite eines Flow1-Moduls. Die kleinen aufgetragenen Dreiecke in den Ecken gelten als Passer-Markierungen, um den Einpressblock für Module mit Press-Fit-Kontakten auszurichten.

Umgang und Verhalten im Betrieb

Die Module lassen sich ganz normal, nach dem Löt- oder Einpressprozess, auf dem Kühlkörper montieren. Ein spezieller Einpressstempel ist bei Modulen mit Press-Fit-Kontakten erforderlich. Dieser Block besteht aus einer Vielzahl von Stiften, die nur partiell auf die Rückseite der DCB drücken. Ein flacher Block würde das PCM beschädigen. Die Verarbeitung des Moduls kann, wie in den gültigen Montagehinweisen beschrieben, erfolgen. Der Unterschied zu Modulen mit Wärmeleitpaste besteht darin, dass sich die Anschraublaschen direkt mit dem vollen Drehmoment gegen den Kühlkörper schrauben lassen, da das Material bei Raumtemperatur fest ist.

Während des ersten Betriebs des Moduls in der Applikation – bevor das Material aufgeschmolzen ist – liegt der Rth zwischen Sperrschicht und Kühlkörper zirka 10 bis 15 % höher als im aufgeschmolzenen Zustand. Dies liegt zum Einen daran, dass das Material noch nicht großflächig zwischen Modul und Kühlkörper verteilt ist und sich zwischen den einzelnen Waben noch Luft befindet; zum Anderen daran, dass das PCM noch nicht die finale Schichtdicke erreicht hat.

Bild 3: Der thermische Widerstand gegenüber der Kühlkörpertemperatur.

Bild 3: Der thermische Widerstand gegenüber der Kühlkörpertemperatur.Vincotech

Der leicht erhöhte Rth sollte jedoch kein Problem darstellen, da die Kühlkörpertemperatur unter 45 bis 50° C liegt und noch genug Sicherheit bis zur maximal zulässigen Sperrschichttemperatur besteht. Die Zeit, bis das Material aufschmilzt, ist eine Funktion aus Druck und Temperatur. Ein weiterer Faktor ist die Zeit, mit der sich die Temperatur ändert.

Nachdem das Modul montiert ist, sollte der Entwickler das System aufheizen. Dies kann beispielsweise während des Burn-In- oder Run-In-Prozesses geschehen. Ab 45° C wird das Material weich. Die Zeit ist so zu wählen, dass das Material genug Zeit hat, zu schmelzen und damit Unebenheiten zwischen Modul und Kühlkörper zu füllen, bis sich ein optimaler thermischer Widerstand einstellt. Ein weiterer Schraubvorgang ist nicht erforderlich. Das PCM geht in den festen Zustand zurück, wenn die Temperatur unter 45 °C fällt. Jedes Über- und Unterschreiten dieser Temperatur führt zu einem Phasenwechsel.