Verbesserung der Zuverlässigkeit von elektronischen Baugruppen

Film-Coating für mehr Zuverlässigkeit (November 2018).

Anonim

Multifunktionale thermisch leitfähige Verbindungen können zur Verbesserung der LED-Zuverlässigkeit beitragen.

Bei vielen elektronischen Geräten werden die Leistungsmerkmale durch die Temperatur beeinflusst. Zu viel Wärme kann zu Fehlfunktionen der Komponenten oder zu vorzeitigem Versagen der Komponenten führen. Zum Beispiel ist eine Hauptursache für den Ausfall von lichtemittierenden Dioden (LED) eine erhöhte Sperrschichttemperatur. Es ist bekannt, dass die Verbindung einer LED, bei der zwei Arten von Halbleitern miteinander verbunden sind, ein heißer Fleck ist, da sowohl Wärme als auch Licht emittiert werden, wenn elektrische Energie verbraucht wird. Wenn die Übergangstemperatur ansteigt, nimmt die Lichtleistung ab und die Farbe verschiebt sich in Richtung Blau. Produkte wie Fernsehbildschirme, Displays für elektronische Handgeräte, elektronische Schilder und Tageslicht-Autoscheinwerfer sind auf LEDs angewiesen, um zuverlässiges Licht zu erzeugen.
Übermäßige Hitzeperioden
Bei LEDs sowie bei Transistoren und anderen elektronischen Halbleiterbauelementen kann das Unterschreiten bestimmter Temperaturgrenzen, wie z. B. der maximalen Sperrschichttemperatur oder der maximalen Gehäusetemperatur, zu irreversiblen Schäden und dauerhaften Leistungsverlusten führen. Abwärme, die durch hohe Ströme in Leistungstransformatoren und Leistungshalbleitern erzeugt wird, kann dazu führen, dass diese Geräte überhitzen und dadurch möglicherweise die Leistung beeinträchtigen. Die Wärme muss entfernt werden, um die Betriebstemperaturen innerhalb der Spezifikationen zu halten und die Zuverlässigkeit der Komponenten zu gewährleisten.
In den letzten Jahren ist es zu einer großen Herausforderung geworden, die Temperaturanforderungen zu erfüllen, da immer mehr Funktionen in immer kleiner werdende Pakete gepresst werden. Modernste 22-nm-Prozessgeometrien ermöglichen es, integrierte Schaltungen (ICs) mit Transistordichten von mehr als 8 Millionen Transistoren pro Quadratmillimeter zu realisieren. Eine höhere Transistordichte bedeutet weniger Fläche für die Wärmeableitung - und sogar heißere Hotspots - auf Mikroprozessoren und anderen Hochleistungs-Chips. Darüber hinaus werden miniaturisierte Komponenten oft in platzsparenden IC-Chip-Trägern wie Chip-Scale-Packages und Ball-Grid-Arrays (BGAs) verpackt, die die Wärme auf winzige Gehäuse begrenzen. Strengere Verpackungstechnologien, wie zum Beispiel System auf einem Chip (SOC), in dem Komponenten übereinander gestapelt werden, verschärfen auch das Problem der Wärmeableitung.
Wärmeverwaltung durch Design
Effizientes Thermomanagement hat im modernen Elektronikdesign und bei der Verpackung höchste Priorität. Die Wärme muss auf der Ebene der Chips, Komponenten und Substrate so abgeführt werden, dass Leistung, Zuverlässigkeit, Kosten und in einigen Fällen das Gewicht ausgeglichen sind. Es gibt drei Arten der Wärmeübertragung: Wärmeleitung, Konvektion und Strahlung. Das Ziel des Wärmemanagements ist es, einen kosteneffektiven, effizienten Weg zum Übertragen von Wärme von der Vorrichtung an die Umgebung unter Verwendung einer oder mehrerer Wärmeübertragungstechniken zu bestimmen.
Kühlkörper werden üblicherweise verwendet, um Wärmeenergie von Mikroprozessoren, Leistungstransistoren, LED-Arrays und anderen Geräten in die Umgebungsluft zu übertragen (siehe Abb. 1 ). Gewöhnlich aus einer Aluminiumlegierung oder einem anderen Metall besteht eine Wärmesenke aus einer flachen Oberfläche mit Rippen oder anderen Vorsprüngen, die dazu bestimmt sind, ihre Oberfläche zu vergrößern. Die flache Oberfläche wird in Kontakt mit der elektronischen Vorrichtung gebracht, so dass Wärme von der Vorrichtung zu der Wärmesenke fließt, durch die Wärmesenke geleitet wird und zu der umgebenden Luft konvektiert wird. Die Wärmemenge, die über die Konvektion übertragen wird, ist proportional zum Oberflächenbereich am Übertragungspunkt, so dass die ausgedehnten Oberflächen der Wärmesenke die Menge an Wärme, die in die Luft abgegeben wird, stark erhöhen.

Abb. 1: Kühlkörper übertragen Wärme von Leistungsgeräten in die Umgebungsluft.

Spezielle Materialien übertragen Wärme
Speziell formulierte Wärmeleitmaterialien (Thermal Interface Materials, TIMs) werden oft zwischen der wärmeerzeugenden Vorrichtung und der Wärmesenke angewendet, um wärmeisolierende Luftspalte zu füllen und die Wärmeübertragungseffizienz zu maximieren. Eine TIM zeichnet sich durch ihre Wärmeleitfähigkeit aus (siehe Seitenleiste ), die typischerweise 0, 3 W / mK übersteigt - mehr als 10 mal höher als die von Luft (0, 022 W / mK). Da Metallkühlkörper bessere Wärmeleiter als TIMs sind, wird eine optimale thermische Effizienz erreicht, indem die Dicke der TIM minimiert und überschüssiges Material eliminiert wird.
Wärmeleitpasten, Phasenwechselmaterialien und wärmeleitfähige Epoxide sind einige der vielen Arten von thermischen Grenzflächenmaterialien, die heutzutage auf dem Markt erhältlich sind. Die Auswahl einer geeigneten TIM für eine bestimmte Anwendung hängt von Anwendungsparametern wie Leistungsdichte, Verarbeitungsanforderungen, Nachbearbeitbarkeit und anderen Faktoren ab. Thermisch leitfähige Epoxide werden häufig gegenüber anderen Alternativen bevorzugt, da sie zusätzlich zu den Wärmeübertragungsfähigkeiten Anhaftung und andere Funktionalität bereitstellen. Diese multifunktionalen Systeme bieten Größen- und Gewichtsvorteile gegenüber Lösungen, die mechanische Befestigung und Stabilität sowie andere Vorteile erfordern.
Ausführen mehrerer Funktionen
Wärmeleitende Polymerverbindungen bestehen aus Epoxid-, Silikon- oder Elastomerformulierungen, die mit wärmeleitenden Metall-, Keramik- oder Nanoteilchen gefüllt sind. Typische Leitfähigkeitswerte liegen zwischen 1, 5 und 3, 0 W / mK, wobei die Leitfähigkeit bei einigen speziell formulierten Typen bis zu 4, 0 W / mK erreicht. Für einen gegebenen Füllstofftyp können die Formulierer höhere Wärmeleitfähigkeitswerte erreichen, indem sie die Konzentration der Füllstoffteilchen erhöhen. Es gibt jedoch einen Kompromiss mit der Bindungsstärke, da mehr Füllstoff bedeutet, dass weniger Polymermoleküle für die Kohäsion verfügbar sind. Dieser Kompromiss ist für die meisten elektronischen Anwendungen kein Problem, da verbundene elektronische Komponenten typischerweise keinen hohen Kräften ausgesetzt sind.

Tabelle 1: Thermische Leitfähigkeiten von üblichen Materialien

Klebstoffe und verwandte Verbindungen sind für ihre Fähigkeit bekannt, eine Vielzahl von physikalischen, elektrischen und mechanischen Eigenschaften auszugleichen. Die Formulierer passen die Eigenschaften an spezifische Anwendungen an, indem sie Harz und Härter, Füllstofftyp und -konzentration sowie andere Additive auswählen und den Grad und die Art der Härtung kontrollieren. Thermisch leitfähige Epoxidsysteme bieten chemische Beständigkeit und Feuchtigkeitsbeständigkeit und umfassen Typen, die kryogenisch verwendbar sind, sowie Typen, die Temperaturen von mehr als 500 ° F widerstehen. Neben Wärmemanagement sind auch Grade erhältlich, die die Elektronik vor Stößen und Vibrationen schützen, sowie Formulierungen, die Temperaturwechselbeanspruchungen aushalten können und die NASA-Standards für geringe Ausgasung erfüllen. Ein- und zweiteilige Compounds mit unterschiedlichen Viskositäten, Moduli und Härtungsplänen sowie Epoxydfilme bieten Ingenieuren eine Vielzahl von Anwendungsmöglichkeiten.

Abb. 2: Hohe Wärmeleitfähigkeit, minimale Klebliniendicke, vollständige Polymerisation und Eliminierung von Hohlräumen tragen dazu bei, den thermischen Widerstand entlang des thermischen Pfades zu minimieren.

Härtungsbedingungen können die Wärmeleitfähigkeit einer Klebeverbindung beeinflussen. Eine zu niedrige Aushärtungstemperatur kann zu einer langsamen Härtung und einer niedrigeren Vernetzungsdichte führen, während eine zu hohe Aushärtungstemperatur zu starken Exothermen führen kann, die dazu führen können, dass sich das Klebstoffsystem ausdehnt. Eine optimale Leitfähigkeit wird erreicht, wenn die vollständige Polymerisation durch einen Härtungsplan erfolgt, der von einem sachkundigen Formulierer empfohlen wird. Bei einer vollständigen Aushärtung kommen die wärmeleitenden Füllstoffteilchen miteinander in Kontakt, wodurch eine effizientere Wärmeleitung ermöglicht wird.

Die sorgfältige Anwendung eines thermischen Produkts ist für eine effiziente Wärmeübertragung unerlässlich. Wie in Abb. 2 dargestellt, sind gleichmäßige, dünne Verbindungslinien und die Eliminierung von Luftspalten wichtig, um einen Wärmepfad mit möglichst geringem Wärmewiderstand zu erzeugen (siehe Seitenleiste), damit Wärme effizient von einem heißen Gerät zu einem kühleren Medium fließen kann .

Thermisch leitfähige Epoxide werden üblicherweise für den doppelten Zweck des Verbindens und Übertragens von Wärme in Anwendungen, wie zum Beispiel Hochleistungs- Halbleiter-Chipbefestigung, Wärmesenkenbefestigung und Verpressen temperaturempfindlicher Komponenten, auf gedruckten Leiterplatten (PCBs) verwendet. Sie werden auch als thermische Verbindungsschnittstelle zwischen dem Chip und dem Wärmeverteiler in BGA-Gehäusen verwendet. Obwohl die meisten thermisch leitfähigen Epoxide elektrisch isolierend sind, kombinieren einige Typen die thermische und elektrische Leitfähigkeit durch die Verwendung von Metallfüllstoffen und können als eine elektrische Masse auf einer PCB verwendet werden. Verwandte wärmeleitende Vergussmassen werden verwendet, um Wärme von Transformatoren, Spulen und Stromversorgungen abzuleiten, während sie vor Stößen, Vibrationen und anderen Umweltbedingungen geschützt werden. Thermisch leitfähige Epoxide können auch als Versiegelungsmittel dienen, um Sensoren, Anschlüsse und Stifte zu schützen, während sie die Wärme steuern.

Verlängerung der Lebensdauer von Komponenten
Die heutigen leistungsstarken elektronischen Geräte verdrängen mehr Funktionalität in engere Pakete. Die Marktnachfrage nach Leistungsverbesserungen und erweiterten Funktionen führt zu einem erhöhten Leistungsbedarf - was zu höheren Wärmeleistungen führt. Eine effiziente Wärmeabfuhr ist ein Muss, um vorzeitigen Bauteilversagen vorzubeugen und die Lebensdauer zu verlängern.

Thermisch leitfähige Verbindungen helfen bei der Optimierung der Wärmeübertragung über Schnittstellen in einer Vielzahl von Anwendungen in verschiedenen Industrien. Diese Klebstoffe, Dichtstoffe und Vergussmassen ermöglichen neben der Wärmeübertragung auch Befestigung, Umweltschutz und andere Funktionen und ermöglichen kleinere, immer leistungsfähigere elektronische Systeme.


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Wärmeleitfähigkeit und thermische Beständigkeit
Die Wärmeleitfähigkeit quantifiziert die Fähigkeit eines Materials, Wärme über Wärmeleitung zu übertragen. Die Wärmeleitfähigkeit, die oft als & kgr; bezeichnet wird, ist definiert als die Menge an Wärmeenergie, die über eine bekannte Probenfläche in einer gegebenen Zeitperiode übertragen wird, wenn ein Temperaturgradient über die Probe angelegt wird. Gemeinsame Einheiten der Wärmeleitfähigkeit sind:

Die umgekehrte oder reziproke Wärmeleitfähigkeit ist der thermische Widerstand. Der thermische Widerstand (1 / K) charakterisiert die Fähigkeit eines Materials, dem Wärmefluss entgegenzuwirken. Sowohl die Wärmeleitfähigkeit als auch der thermische Widerstand sind Funktionen der Temperatur, und beide sind grundlegende Materialeigenschaften; das heißt, sie sind unabhängig von dem spezifischen Gerät oder seiner Geometrie. In realen Anwendungen ist die Wärmeleitfähigkeit wichtig, aber nicht ausreichend für die Bewertung der Wärmeleistung, da die Geometrie der spezifischen Vorrichtung ebenfalls eine wichtige Überlegung ist. Die Effizienz der Wärmeübertragung wird am besten durch Berücksichtigung der Wärmebeständigkeit eines bestimmten Objekts bestimmt.
Der thermische Widerstand (R) misst den Widerstand eines Objekts gegen Wärmestrom und wird sowohl von seiner Wärmebeständigkeit als auch von seiner Geometrie bestimmt. Der thermische Widerstand eines Objekts ist ein Verhältnis der Temperaturdifferenz zur abgegebenen Leistung und kann als Funktion der Geometrie und des thermischen Widerstands des Objekts ausgedrückt werden:

wobei L die Dicke des Gegenstandes ist, A seine Oberfläche und κ seine Wärmeleitfähigkeit ist. Diese Beziehung veranschaulicht, dass mit steigender Oberfläche der thermische Widerstand abnimmt (was das Schlüsselprinzip hinter Wärmesenken ist), und dass der thermische Widerstand zunimmt, wenn die Dicke zunimmt. Für wärmeleitende Klebstoffe, die zum Verbinden von Kühlkörpern mit elektronischen Bauteilen verwendet werden, wird eine optimale Wärmeübertragung durch Minimieren der Dicke der Verbindungslinie erreicht. In einigen Fällen diktiert die Größe der Füllstoffteilchen in einem thermisch leitfähigen Epoxidharz die minimale Verbindungsliniendicke, die erreichbar ist, ohne die Bindungsfestigkeit zu opfern. Die typische Partikelgröße beträgt 40 μm, aber Master Bond hat proprietäre Füllstoffe entwickelt, die nur 3 μm Durchmesser aufweisen. Dadurch wird die Wärmeübertragung verbessert, ohne die Haftfestigkeit zu beeinträchtigen.
Für die effizienteste Wärmeübertragung sollte der gesamte Wärmewiderstand des Weges von der Wärmeerzeugungsvorrichtung zum Kühlmedium - beispielsweise der Luft, die eine Wärmesenke umgibt - minimiert werden. Dies wird erreicht, indem eine wärmeleitfähige Verbindung mit hoher Wärmeleitfähigkeit ausgewählt wird, bis zur Vervollständigung gehärtet wird, eine angemessene Benetzung und Gleichmßigkeit der Verbindungslinie sichergestellt wird, die Dicke der Verbindungslinie minimiert wird und Luftspalte in der Verbindungslinie vermieden werden.

Von ROBERT MICHAELS, Vizepräsident für den technischen Vertrieb, Master Bond, www.masterbond.com