Теплопроводящая паста — это действительно важно!

Как и другие производители силовых модулей, SEMIKRON активно работает над решением проблемы эффективного отвода тепла, генерируемого полупроводниковыми кристаллами. Одной из первых компания стала предлагать своим заказчикам поставку компонентов с тепло-проводящей пастой, нанесенной в условиях предприятия-изготовителя. Эта опция позволяет исключить ответственный технологический этап сборки и обеспечить высокую повторяемость производственного процесса. Опыт оказался успешным, и на данный момент продано уже более 700 000 подготовленных соответствующим образом модулей серии MiniSKiiP (рис. 1).

Рис. 1. Модуль MiniSKiiP с нанесенной теплопроводящей пастой

Теплопроводящие материалы, используемые в силовой электронике, содержат пластичное вещество-носитель (например, силикон) и наполнитель, в качестве которого может применяться оксид цинка, графит или серебро. Они выпускаются в виде паст, клеев, пленок, веществ с изменяемым фазовым состоянием. Удельная теплопроводность данных материалов (λ) находится в пределах 0,5^-6 Вт/м-К (для воздуха λ_air ≈ 0,03 Вт/м-К), их задача — заполнение зазора между основанием модулей и теплостоком.

В таблице 1 приведены значения параметра λ для материалов, входящих в состав безбазовых силовых модулей семейства SKiM. Процентное соотношение тепловых сопротивлений позволяет оценить участие каждого их них в процессе теплопередачи. По приведенным данным видно, что паста проводит тепло хуже, чем все остальные элементы структуры, и таким образом существенно влияет на суммарное значение R_th. В зависимости от конструкции модуля и типа охлаждающей системы вклад теплопроводящего материала составляет от 20 до 65%. Поэтому при нанесении пасты необходимо стремиться к минимизации толщины ее слоя, не допуская при этом возникновения пустот. Важно также качество сопрягаемых поверхностей.

Таблица 1. Теплопроводность основных материалов силовых полупроводниковых модулей (на примере SKiM)

Для повышения эффективности охлаждения необходимо обеспечить максимальную площадь соприкосновения основания модуля и радиатора. На рис. 2 показана нормированная кривая зависимости теплового сопротивления от толщины слоя теплопро-водящего материала. Пока она меньше величины зазора (красная зона ниже оптимального значения) значение R_th велико из-за оставшихся под основанием модуля лакун. После достижения оптимума тепловое сопротивление вновь начинает расти, поскольку, как было указано выше, теплопроводность пасты хуже, чем у сопрягающихся материалов радиатора и модуля.

Рис. 2. Зависимость теплового сопротивления от толщины слоя теплопроводящего материала

Для каждого типа силового ключа оптимальное значение толщины слоя и требования к качеству обработки радиатора указывается в технической документации (Application Notes, Mounting Instructions). При выработке рекомендаций учитывается так называемый биметаллический эффект (рис. 3), приводящий к изгибу базовой платы при термо-циклировании. Именно поэтому для «безбазовых» модулей (baseless), у которых изгиб базы исключен, рекомендуемая толщина слоя составляет 20-50 мкм при среднем значении 100 мкм для стандартных компонентов.

Рис. 3. Биметаллический эффект — изгиб жестко закрепленной базовой платы при изменении температуры

Недостаточная толщина слоя теплопро-водящего материала и наличие воздушных пузырей приводит к локальному перегреву и сокращению срока службы силового ключа. Избыток пасты не только способствует увеличению теплового сопротивления, но и может вызвать повреждение керамической подложки при затяжке крепежных винтов. Особенно критично это в отношении «безбазовых» модулей, у которых основанием является тонкая керамическая DBC-плата. На рис. 6б приведено увеличенное изображение области подложки модуля MiniSKiiP, поврежденной при установке из-за превышения толщины слоя теплопроводящей пасты (трещины показаны красными стрелками).

Измерения теплового сопротивления в реальных условиях эксплуатации показывают, что свойства пасты зависят не только от удельных характеристик, но и от ее состава и структуры. Чем больше частицы наполнителя, тем выше удельная теплопроводность. В свою очередь их размер естественным образом ограничивает значение минимальной толщины слоя. В начале эксплуатации после воздействия нескольких термоциклов материал с маленькими частицами (0,04-4 мкм для Р12) распределяется и уплотняется в зазоре. При этом практически обеспечивается контакт «металл — металл» в зонах с максимальным давлением и существенно снижается величина R_th(c-s).

Сказанное поясняется графиками ускоренных испытаний (рис. 4), показывающими, как при воздействии термоциклов с градиентом dT = 110 °С изменяется перегрев чипов IGBT-модуля SEMiX 703GB126. Температура кристалла определяется по напряжению насыщения, поскольку зависимость V_ce(sat) = f(T_j) практически линейна при малом постоянном токе коллектора. Данный косвенный метод обеспечивает очень высокую точность измерения Tj и используется практически всеми производителями силовых модулей. Значение теплового сопротивления R_th определяется по формуле R_th = dT/P, где Р — рассеиваемая мощность, а dT — перепад температуры.

Рис. 4. Изменение теплового сопротивления при термоциклировании (Nf — количество термоциклов)

Обратите внимание на то, что значение Tj снижается в течение первых 2000 циклов в процессе нормализации структуры пасты в зазоре и соответствующего снижения величины R_th. Резкое увеличение теплового сопротивления, наблюдаемое после 30 000 циклов, связано с разрушением паяного соединения базовой платы, вызванного термомеханическими напряжениями.

Теплопроводящая паста может наноситься как на радиатор, так и на поверхность модуля. При монтаже компонентов в стандартных корпусах, как правило, используется второй способ, позволяющий снизить расход материала и избежать загрязнения теплостока. При опытном производстве или ремонте можно воспользоваться резиновым роликом, как показано на рис. 5а. Такой метод дает неплохие результаты при соответствующей подготовке персонала, однако его очевидными недостатками являются низкая повторяемость, неоднородность слоя, возможность попадания посторонних частиц.

Рис. 5. а) Нанесение пасты резиновым роликом; б) контроль плоскостности радиатора; в) контроль качества нанесения после снятия модуля

Перед монтажом необходимо провести измерение плоскостности и шероховатости поверхности радиатора (рис. 5б). Для оценки качества заполнения зазора следует периодически снимать установленный модуль и убеждаться в отсутствии лакун на следе пасты (рис. 5в).

Основным технологическим приемом, используемым SEMIKRON при серийном производстве, является автоматизированная трафаретная печать с использованием металлического трафарета или технического шелка Monolen-PET и полиуретанового ракеля.

Толщина и равномерность нанесения пасты периодически должны контролироваться с помощью специального технологического оборудования. Неоднородность слоя может привести к возникновению локальных зон перегрева в местах воздушных пузырей и даже к повреждению керамической изолирующей DBC-платы. Подобные фатальные ситуации могут возникнуть, например, при зонном нанесении пасты, как показано на рис. 6. Оптимальным вариантом с точки зрения обеспечения равномерности слоя является применение металлических трафаретов с «сотовой» структурой (рис. 1).

Рис. 6. а) Основание модуля при неоднородном (зонном) нанесении пасты; б) повреждение изолирующей подложки из-за превышения толщины слоя

Толщина слоя теплопроводящего материала может контролироваться прямыми и косвенными способами. Примером косвенного метода служит весовое дозирование пасты перед ее нанесением. Прямое бесконтактное измерение проводится с помощью оптических профилометров, например μSCAN производства компании Nano Focus. Для непосредственного контактного контроля толщины слоя применяются механические толщинометры, такие как ZND 2051 (производство Zehntner), PG-3504 (производство Elcometer Instruments и BYK Gardner) или ZWW 2100-2102 (производство Zehntner). Инструмент серии ZWW 21** показан на рис. 7: на его крайних базовых дисках нанесена шкала в мкм, толщина слоя определяется по появлению следа пасты на центральном измерительном диске. К недостаткам контактных средств контроля относится возможная ошибка вследствие повреждения слоя при их применении.

Рис. 7. Контроль толщины слоя с помощью измерителя ZWW 2100-2108 (Zehntner)

Оптимальное значение толщины слоя для конкретного типа теплопроводящего материала и профиля радиатора определяется экспериментально. Как правило, начальное значение составляет 10-30 мкм, далее происходит увеличение толщины с шагом 10 мкм и проводится оценка качества заполнения на каждом этапе. Паста наносится на модуль или радиатор в соответствии с рекомендациями производителей, при затяжке крепежных болтов следует соблюдать требования по моменту и последовательности, указанные в технической документации.

Для лучшего распределения теплопроводя-щего материала рекомендуется подвергнуть установленный модуль воздействию 3 термоциклов (20 °C/100 °C/1 ч). Следует отметить, что последующий демонтаж безбазовых модулей сопряжен с риском повреждения корпуса из-за высокой адгезии пасты в зазоре. Поэтому перед снятием подобных элементов с теплостока их следует выдержать 12 часов при комнатной температуре без крепежа.

Следы теплопроводящего материала, остающиеся на поверхности модуля и радиатора после демонтажа, дают наглядное представление о качестве нанесения этого материала. На рис. 8 (слева) показано основание модуля с зонами, не покрытыми пастой, что является следствием недостаточной толщины слоя (в данном случае — менее 30 мкм). На рис. 8 (справа) для сравнения показан близкий к оптимальному вариант распределения пасты по поверхности (толщина слоя — 50 мкм). На рис. 8 видны зоны прямого контакта «металл — металл» в центре и на краях, где прижимающее усилие максимально.

Рис. 8. Вид основания демонтированного модуля MiniSKiiP при недостаточной (слева) и оптимальной (справа) толщине слоя пасты

Заключение

Оптимизируя характеристики теплопрово-дящего слоя для конкретной сборки и применяя автоматизированный способ нанесения пасты, можно обеспечить хорошее качество и высокую повторяемость технологического процесса. Но есть еще много вопросов, и технологи SEMIKRON продолжают активно работать над их решением.

Опциональное нанесение теплопроводя-щего материала, предлагаемое SEMIKRON при поставке модулей, позволяет пользователю существенно упростить процесс сборки, исключить важный технологический этап и обеспечить высокую повторяемость тепловых характеристик. После монтажа модуля с сотовой структурой пасты обеспечивается оптимальная толщина слоя и равномерное распределение материала в зазоре. Это позволяет снизить тепловое сопротивление и исключить риск повреждения керамической изолирующей платы силового ключа.

Метод автоматической трафаретной печати, используемый SEMIKRON, гарантирует отклонение толщины слоя, не превышающее ±10 мкм. Высокая повторяемость процесса обеспечивается с помощью постоянного мониторинга процесса в рамках системы контроля качества Six Sigma. Обработанные таким образом модули подвергаются специальным тестам, состав и условия проведения которых приведены в таблице 2.

Таблица 2. Квалификационные испытания для проверки качества нанесения теплопроводящей пасты

Транспортировка модулей с предварительно нанесенной пастой производится в специальной упаковке, исключающей внешнее воздействие на теплопроводящий слой, срок хранения составляет 18 месяцев. В настоящее время указанная опция доступна при заказе IGBT и диодно-тиристорных модулей семейств SKiM 63/93, SEMIPACK 2, SEMITRANS 2 и MiniSKiiP.

Литература

1. Freyberg M. Application of thermal paste for power modules without base plate. SEMIKRON International, 1999.
2. Goldman W. E. An Introduction to the Art of Heat Sinking. Electronic Packaging and Production, 1966.
3. Колпаков А. И. Правда и миф о теплопроводящей пасте // Производство электроники. 2005. № 1.