Thermisches Interface Material (TIM) für Leistungselektronik

Der Trend zu immer kleineren Bauformen bei gleichzeitig steigenden Leistungsanforderungen führt zur Notwendigkeit, die durch die Elektronik erzeugte Wärme möglichst schnell, effektiv und kostengünstig abzuleiten.

Zusätzlich zu den seit mehr als 20 Jahren gefertigten IMS-Substraten hat der europäische Hersteller von Substraten (FR4, CEM und IMS) für die weltweite Leiterplattenindustrie Aismalibar Technologien für Wärmeleitfolien entwickelt, die zur Verbindung einer wärmeerzeugenden Elektronikbaugruppe mit einem Kühlkörper eingesetzt werden. Dabei kommt der Wärmeleitfähigkeit der Folie bzw. ihrem thermischen Widerstand eine dominante Rolle zu. Immer häufiger werden dabei auch elektrische Isolationseigenschaften (zum Berührungsschutz) sowie Silikonfreiheit gefordert. All diese Schlüsselanforderungen werden von Aismalibar’s Wärmeleitfolie Bondsheet Cured erfüllt.

Abb. 2: Wachstumsmärkte, in denen der Entwärmung der Elektronik eine zentrale Rolle zukommt

Das Unternehmen gehört seit 2011 zur Benmayor Firmengruppe und produziert in eigenen Werken in Barcelona und China. Angeboten werden verschiedenste IMS-Technologien (Insulated-Metal-Substrate) für wärmekritische Elektronikanwendungen. Beliefert werden Leiterplattenhersteller für Anwendungen in den Bereichen Automotive, LED-Lighting, Medizin- und Industrieelektronik.

Vielfältige Anwendungen dank besonderer Eigenschaften

Abb. 3: Wärmeleitfolie Bondsheet Cured in Ausgangsgrößen von 1245 x 945 mm bzw. 1245 x 1040 mm zur Weiterverarbeitung durch Schneiden, Sägen oder Stanzen (www.aismalibar.com/de/product_group/bond-sheet-cured-de)Hauptanwendungsgebiete der TIM-Wärmeleitfolie sind Leistungselektronik-Applikationen, in denen die Verbindung zwischen zwei planen Metalloberflächen in Bezug auf Wärmeleitung und elektrischer Isolation optimiert werden soll. Erfolgreich eingesetzt wird die Folie heute zum Beispiel in Anwendungen wie Solarinvertern und Windkraftanlagen, Getriebesteuerungen für Nutzfahrzeuge und LED-Industriebeleuchtungen. Neue Projekte kommen vermehrt aus dem Bereich E-Fahrzeuge, wo diese im Antriebsstrang und Batteriemanagement inklusive der On-Board-Ladeelektronik eingesetzt werden. Auch die industrielle Leistungselektronik, zum Beispiel in Schweißgeräten und Roboterantrieben, verwendet Wärmeleitfolien zur effizienten Entwärmung der Steuerelektronik.

Ein weiteres Anwendungsbeispiel zeigt die Zusammenarbeit von Aismalibar mit der Firma IQ-evolution (www.iq-evolution.com) mit der gleichen Grundaufgabe: effiziente Wärmeableitung bei maximaler Isolationsfestigkeit zur optimalen Ankopplung von PowerMOSFET-Leistungshalbleitern an die flüssigkeitsgekühlten Micro-Cooler von IQ-evolution.

Intensive Tests haben ergeben, dass für diesen Anwendungsfall bei IQ-evolution mit der Wärmeleitfolie Bondsheet Cured, verglichen mit alternativen thermischen Interface-Technologien, die beste technisch-kommerzielle Kombination aus Wärmeableitung und Durchschlagsfestigkeit erreicht wird. Die technischen Schlüsseleigenschaften von Bondsheet Cured sind:

• Thermische Leitfähigkeit: 2,2 W/mK
• Folienschichtstärke: 70 µm oder 100 µm
• Thermischer Widerstand (Rth): 0,315 K/W bei 70 µm, 0,450 K/W bei 100 µm
• Spannungsfestigkeit (AC): ≥ 4 kV bei 70 µm, ≥ 6 kV bei 100 µm
• Glass Transition Temperatur (Tg): 120 °C

Herstellung und Lieferung der Wärmeleitfolie

Abb. 4: „IQ-Four“, for TO 247 housings: Anwendungsbeispiel einer flüssigkeitsgekühlten hochkompakten MOSFET-Baugruppe für die LeistungselektronikAusgangspunkt der Fertigung ist ein Glasgewebematerial des Typs 106 bzw. 1078/1080, das in einem Aismalibar-eigenen Verfahren mit keramischen Füllstoffen angereichert wird. Neben den reinen Materialeigenschaften der verwendeten Füllstoffe (wie zum Beispiel Al₂O₃, AlN, BN) ist die Partikelgröße und Form sowie die Verteilung mit entscheidend dafür, dass das Ausgangsglasgewebe homogene wärmeleitende Eigenschaften erhält. Nach dem Einbringen der Füllstoffe und weiteren Prozessschritten entsteht ein Prepreg im B-Status, das in der Multilayer-Herstellung der Leiterplattenindustrie verwendet wird.

Um eine ausgehärtete Wärmeleitfolie Bondsheet Cured herzustellen, wird dieses Prepreg dann mittels Aismalibar-eigener Verfahren weiterverarbeitet, um die im Datenblatt spezifizierten Eigenschaften der Wärmeleitfähigkeit und Isolationsfestigkeit zu erreichen.

Am Ende des Fertigungsprozesses steht die Wärmeleitfolie Bondsheet Cured in den Formaten 1245 x 945 mm und 1245 x 1040 mm zur Verfügung, dem bevorzugten Lieferformat von Aismalibar. Ebenso beliebt sind auch die gängigen Formate der PCB-Industrie, wie zum Beispiel 460 x 610 mm. Auf speziellen Kundenwunsch konfektioniert Aismalibar das Bondsheet Cured auf beliebige rechteckige/quadratische Formate und liefert in Stapeln von jeweils mehreren Hundert einzelnen Folien zur manuellen oder automatisierten Weiterverarbeitung beim Anwender.

Für Muster und Prototypen oder auch Kleinserien konturiert Aismalibar die Folie Bondsheet Cured entsprechend Kundenvorgabe mit zum Beispiel abgerundeten Ecken und Löchern, so dass die Folie in der Endproduktmontage des Kunden direkt zwischen Kühlkörper und Leiterplatte eingelegt und zu einer Einheit montiert werden kann. Da beim Einsatz der Wärmeleitfolie auf Öle, Pasten oder Silikone verzichtet wird, ist eine saubere Montage und Demontage des Elektronikmoduls (zum Beispiel im Servicefall) möglich.

Für die hochvolumige Serienproduktion hat sich erwiesen, dass ein Stanzen der Folie mit einem kundenspezifischen Stanzwerkzeug das kosteneffizienteste Serienherstellungsverfahren darstellt.

Muster der beiden Folientypen mit 70 µm oder 100 µm Dicke sind ab Lager Barcelona verfügbar.

Ausblick

Aismalibar entwickelt derzeit Technologien, die die hohen Anforderungen an Wärmeleitfähigkeit und Durchschlagsfestigkeit erreichen bzw. weiter steigern. Zusätzlich wird auch die Verarbeitbarkeit optimiert, speziell für hochvolumige Serienproduktionen wie z. B. im Automotive-Bereich.

Abb. 6: Neuentwicklung Dual Thermal Coating

Dabei handelt es sich um ein Verfahren, das es ermöglicht, zwei Schichten eines glaslosen Dielektrikums direkt auf ein Trägermetall aufzubringen. Diese neue Dielektrikumstechnologie ermöglicht es, die Wärmeleit-/Isolationsschicht in nahezu beliebigen Stärken direkt auf einen Metallträger aufzubringen. Die untere Dielektrikumsschicht wird bereits während des Fertigungsprozesses bei Aismalibar ausgehärtet und erhält damit die im Datenblatt spezifizierten elektrischen und thermischen Eigenschaften. Auf dieses ausgehärtete Dielektrikum wird eine zusätzliche Schicht im B-Status aufgebracht, bereit zur weiteren Verarbeitung beim Anwender. Im Montageprozess des Kunden wird dieser Aufbau aus einem Metallträger plus zweilagigem Dielektrikum unter Druck und Wärme zu einer homogenen Gesamteinheit verpresst. Das Resultat ist ein hochkompaktes Leistungsmodul mit optimierten elektrischen und thermischen Eigenschaften verbunden mit einer Lagerfähigkeit der verarbeiteten Gesamteinheit entsprechend den Anforderungen der Elektronikindustrie.