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Vortrag

Reduzierung des Pump-Out-Effekts von Leistungsmodulen durch den Einsatz neuartiger, hybrider Wärmespreizplatten

Donnerstag (19.04.2018)
14:40 - 15:00 Uhr

14:40 - 15:00 Uhr

Klassische leistungselektronische Baugruppen bestehen typischerweise aus einer keramischen Leiterplatte (DBC), welche mit einer kupfernen Wärmespreizplatte verbunden ist. Dieser Aufbau ist seit Jahren eine hochwertige, thermische Lösung im Bereich der Leistungselektronik. Derartige Module werden in der Regel in Verbindung mit einem Kühlkörper verwendet, um die Wärmeabfuhr zu verbessern. Für eine weitere Optimierung der Wärmeleitung befindet sich zwischen dem Modul und dem Kühlkörper eine Wärmeleitpaste (TIM = Thermal Interface Material). Diese ist für den Wärmefluss notwendig um Unebenheiten zwischen den Komponenten auszugleichen und somit Lufteinschlüsse zu vermeiden.

Diese Art des Modulaufbaus birgt allerdings die Gefahr, unter dem Einfluss einer thermischen Wechsellast, die TIM-Schicht zu verdrängen. Dieser Effekt ist auf die unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE-Mismatch) der Komponenten zurückzuführen. Dieser CTE-Mismatch bewirkt mit jedem Temperaturwechsel eine Deformation des Stapels, wodurch eine membranartige Pumpbewegung entsteht. Diese Bewegung hat zur Folge, dass die Wärmeleitpaste verdrängt wird und Lufteinschlüsse entstehen.

In diesem Bericht erfolgt die Vorstellung eines experimentellen Aufbaus zur Visualisierung des „Pump-Out-Effekts“ der TIM-Schicht. Der physikalische Hintergrund der thermomechanischen Modulbewegung wird erläutert. Als Lösung des Problems wird als Alternative für die herkömmliche Kupferbodenplatte ein neuer Typ einer hybriden Wärmespreizplatte vorgestellt. Die Hybrid-Wärmespreizplatte besteht grundlegend aus einem asymmetrisch konzipierten Mehrschichtverbund. Die Kombination unterschiedlicher Materialeigenschaften im mehrlagigen Metallverbund, resultiert im Aufbau mit der DCB in einen thermomechanisch ausgeglichenen Gesamtstapel und führt dadurch zu einem Minimum an Auspumpenbewegung. Insgesamt entsteht ein Mehrfachnutzen durch die Verwendung der hybriden Wärmespreizplatte. Es lässt sich der CTE-Mismatch minimieren, die Balligkeit der gesamten Leistungsbaugruppe anpassen und die Bewegung unter dem Einfluss einer thermischen Wechsellast reduzieren.

Sprecher/Referent:
Stefan Söhl
Fachhochschule Kiel
Weitere Autoren/Referenten:
  • Prof. Dr. Ronald Eisele
    Fachhochschule Kiel