Vergleich Pasten / Folien / DCB / IMS

Beispiele

Wärmeleitpasten, Wärmeleitfolien, Keramiksubstrate (DCB) oder isolierte Metallsubstrate (IMS) werden eingesetzt, um den thermischen Widerstand zwischen
Leistungshalbleiter und Kühlkörper zu reduzieren. Von diesen Interfacematerialien gibt es ein breites Spektrum mit sehr unterschiedlichen Eigenschaften bis hin
zur elektrischen Isolation. Eine genau Berechnung der Chiptemperatur mit einem thermischen Modell auf Basis der Datenblattwerte ist fast unmöglich, da
Einflüsse wie Oberflächenstruktur, Andruckkraft, Fließverhalten oder Benetzungsfähigkeit fehlen. Dem Entwickler bleibt nur die Möglichkeit das Interfacematerial
in seinen eigenen Aufbau zu integrieren und thermisch zu vermessen (Zth-Messung).

Mit Hilfe der Zth-Messtechnik zeigt der nachfolgende Vergleich den transienten Temperaturverlauf eines IGBTs für verschiedene Materialien zwischen Chip und
Wassserkühlkörper bei einer Verlustleistung von 30W und einer Anpreßkraft von 100N (IGBT Rthjc=0,28K/W).

Versuchsaufbau:

Messergebnisse:

Interfacematerial	Aufbau Eigenschaften	Wärmeleitung Wärmewiderstand lt. Hersteller	Wärmewiderstand IGBT gegen geschlossene Wasserkühlung
thermisches Klebeband 1	Dicke: 0,30mm Durchschlagsfestigkeit: 6kV	1,4W/mK 0,52K/W	2,155K/W
thermisches Klebeband 2	Dicke: 0,25mm Durchschlagsfestigkeit: 6kV	1,0W/mK	1,898K/W
Luft		0,024W/mK	1,508K/W
Wärmeleitfolie 1	silikonfrei Dicke: 0,20mm Durchschlagsfestigkeit: 4kV	6W/mK 0,09K/W	1,283K/W
Wärmeleitfolie 2	Silikon mit Keramikfüllung Glasfasergewebe Dicke: 0,20mm Durchschlagsfestigkeit: 3kV	5W/mK	1,099K/W
Standard-IMS	Cu-Dicke oben:35µm Dicke Dielektrikum: 100µm Alu-Dicke unten: 1,50mm Durchschlagsfestigkeit: 3kV	1,3W/mK (Dielektrikum) 1,2K/W (Dielektrikum)	1,080K/W
Grafitfolie	hochverdichtete Grafitfolie Dicke: 0,29mm nicht isolierend	7,5W/mK 0,08K/W	0,973K/W
Ethanol		0,2W/mK	0,821K/W
Hochleistungs-IMS	Cu-Dicke oben: 105µm Dicke Dielektrikum: 75µm Cu-Dicke unten: 1,55mm Durchschlagsfestigkeit: 6kV	4,1W/mK 0,45K/W	0,760K/W
Al2O3-DCB	Cu-Dicke oben: 0,30mm Dicke Al2O3: 0,65mm Cu-Dicke unten: 0,30mm Durchschlagsfestigkeit: ~ 8.5kV	~ 28W/mK	0,752K/W
Wärmeleitpaste 1	silikonfrei Dicke: ~50µm nicht isolierend	0,5W/mK	0,705K/W
AIN-DCB	Cu-Dicke oben: 0,225mm Dicke AIN: 0,65mm Cu-Dicke unten: 0,225mm Durchschlagsfestigkeit: ~ 8,5kV	> 180W/mK	0,645K/W
Wasser (destilliert)		0,6W/mK	0,628K/W
Wärmeleitpaste 2	silikonfrei Dicke: ~50µm nicht isolierend	10W/mK 0,006K/W bei 30µm	0,563K/W
Wärmeleitpaste 3	99,9% Silber Dicke: ~50µm nicht elektrisch leitfähig	9W/mK	0,553K/W
Hochleistungs-Silikonfolie	mit Grafit gefülltes Silikon Dicke: 0,20mm nicht isolierend	50W/mK	0,545K/W

Transienter Temperaturverlauf für verschiedene Interfacematerialien zwischen IGBT und Wasserkühlkörper nach Abschaltung t=0s, Pv=30W.

* dest. Wasser als Lotersatz zwischen IGBT und Interfacematerial; dest. Wasser als Wärmeleitschicht zwischen Interfacematerial und Wasserkühlkörper.

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