Измерители толщины слоя: гребенка и ролик

Применение термопасты в силовой электронике: практические аспекты

№ 6’2018
PDF версия
О применении теплопроводящих материалов (или TIM — Thermal Interface Material) написано много статей и руководств по эксплуатации, однако эта проблема продолжает привлекать внимание специалистов, работающих в сфере производства электронной техники. Потери, генерируемые полупроводниковыми кристаллами в процессе работы, приводят к повышению их температуры, снижению производительности и надежности системы. Для того чтобы исключить перегрев и рассеять тепло, выделяемое электронными компонентами, их необходимо установить на радиатор и обеспечить максимальную эффективность охлаждения. В статье описаны практические аспекты применения термопасты, выполняющей задачу «теплового интерфейса» (TIM — Thermal Interface material) между силовым полупроводниковым модулем и радиатором. Подробная информация о модулях SEMIKRON, поставляемых с предварительно нанесенной пастой, дана в [3].

Основные положения

Тепловая энергия, выделяемая полупроводниковыми кристаллами, проходит через различные материалы и соединительные слои, прежде чем достигнет радиатора (воздушного или жидкостного), контактирующего с охлаждающей средой. Способность этих материалов к передаче тепла характеризуется теплопроводностью λ (измеряется в Вт/(м·K)) и тепловым сопротивлением Rth (измеряется в °С/Вт).

В силовых электронных системах широко используются медь (λCu ≈ до 390 Вт/(м·K)) и алюминий (λAl ≈ 200 Вт/(м·K)) благодаря их хорошим механическим характеристикам и высокой теплопроводности. В идеальном случае соприкасающиеся материалы должны иметь равномерную поверхность, обеспечивающую близкий к 100% контакт «металл-металл». На практике, при установке силового полупровод­никового модуля на радиатор, зазор между ними всегда не однороден.

Как показано на рис. 1, на микроскопическом уровне поверхность каждого из контактирующих металлов содержит пустоты, которые заполняются воздухом с относительно низким значением λ (λair ≈ 0,03 Вт/(м·К)). Цель применения термопасты как «теплового интерфейса» состоит в вымещении воздуха материалом с более высокой теплопроводностью (λpaste ≈ 0,5–6 Вт/(м·K)) при сохранении максимальной площади контакта «металл-металл».

Контакт базовой платы модуля и радиатора на микроскопическом уровне (без применения TIM)

Рис. 1. Контакт базовой платы модуля и радиатора на микроскопическом уровне (без применения TIM)

Теплопроводящие частицы, взвешенные в материале-носителе (рис. 2), формируют так называемый тепловой мост. Из рисунка ясно, что диапазон размеров частиц и их распределение играют важную роль в процессе заполнения воздушных пустот.

Заполнение пустот термопастой на микроскопическом уровне

Рис. 2. Заполнение пустот термопастой на микроскопическом уровне

В то время как параметр λ описывает свойства материала, общая производительность теплового интерфейса определяется величиной термосопротивления между кристаллом и радиатором. В зависимости от конструкции модуля (рис. 3) влияние термопасты учитывается в тепловом сопротивлении «корпус-радиатор» Rth(c-s) или «кристалл-радиатор» Rth(j-s). Эти вопросы детально рассмотрены в [4].

Измерение теплового сопротивления с учетом термопасты для модулей с базовой платой (слева) и без нее (справа)

Рис. 3. Измерение теплового сопротивления с учетом термопасты для модулей с базовой платой (слева) и без нее (справа)

Тепловое сопротивление Rth является более интегральным и комплексным параметром, чем теплопроводность. На окончательное значение Rth(c-s) и Rth(j-s) влияют следующие факторы:

  1. Качество обработки поверхности радиатора.
  2. Толщина слоя пасты.
  3. Распределение пасты после монтажа (воздействие термоциклов).
  4. Усилие прижима модуля к радиатору.
  5. Конструкция модуля (форма и материал базовой платы, топология расположения чипов и т. д.).

 

Выбор теплопроводящей пасты

При выборе термопасты следует учитывать массу факторов, наиболее важные характеристики приведены в таблице 1, а также в [11].

Таблица 1. Факторы, влияющие на выбор термопасты

Свойство

Описание

Метод оценки

Теплопроводность →
тепловое сопротивление

Теплопроводность пасты, указанная в спецификации, менее важна, чем эффективное значение Rth(js).

Статические испытания тепловых параметров сборки

Вязкость

Применение вязких паст может привести к повреждению изолирующей подложки «безбазовых» модулей, они не предназначены для трафаретной печати.

Тестирование сборки, квалификация процесса производства

Соответствие требованиям заказчика

В некоторых применениях ограничено использование определенных веществ (например, силикона).

Изучение технической спецификации термопасты

Резистентность к вытеканию

Некоторые типы паст и модулей (базовая плата)
имеют повышенный риск вытекания пасты из зазора.

Активное термоциклирование

Резистентность к высыханию

Некоторые типы паст более склонны к высыханию с течением времени.

Пассивное термоциклирование

 

Носители и наполнители

Как правило, при изготовлении термопаст используется два типа носителей, которые подразделяются на силиконовые и несиликоновые. В большинстве случаев SEMIKRON рекомендует использовать хорошо себя зарекомендовавшие, недорогие, высокоэффективные и надежные силиконовые пасты. Однако многие современные производства (связанные с покраской или другими химически чувствительными процессами) исключают применение силикона. Поэтому выпускаются и другие типы TIM, где носителями служат смеси синтетических жидкостей.

В качестве наполнителей в большинстве термопаст используются окиси металлов (ZnO, BN, Al2O3), серебро или графит. Большое значение имеет не только тип наполнителя, но и его доля в структуре TIM, а также размер частиц (как указано выше). В высококачественных пастах часто применяются относительно большие частицы (например, ~50 мкм), что, однако, ограничивает минимальную толщину слоя TIM. Кроме того, термопасты с высоким содержанием металлического наполнителя могут быть очень вязкими. Это создает проблемы при использовании «безбазовых» модулей, поскольку такие материалы плохо распределяются в зазоре, в результате чего повышается вероятность повреждения керамической изоляции (см. далее «Растрескивание DBC-подложки»).

Некоторые пасты содержат небольшое количество (например, 1%) испаряемого растворителя для снижения вязкости в процессе нанесения. Они более чувствительны к условиям хранения и применения, поскольку растворитель обладает низкой стабильностью. После его испарения затрудняется нанесение пасты и снижается коэффициент заполнения пустот.

 

Применение термопаст

Рекомендации по толщине слоя

При анализе различных параметров, влияющих на тепловое сопротивление, следует понимать, что «целевая» толщина слоя TIM варьируется в зависимости от типа силового ключа. Производители модулей должны проводить их квалификационные испытания с применением стандартной промышленной термопасты и, соответственно, указывать толщину ее слоя в технической документации. Компания SEMIKRON традиционно использует TIM Wacker P12, необходимые рекомендации приводятся в руководствах по монтажу конкретных семейств компонентов. Указанные в документации параметры слоя действительны для любого материала с физическими характеристиками, близкими к Wacker P12 (силиконовая термопаста с оксидным носителем и плотностью ~2,1 г/см3). Как правило, для «безбазовых» модулей указывают толщину слоя в диапазоне 5–20 мкм, для «базовых» — 50–100 мкм.

Очевидно, что для заполнения воздушных пустот необходимо конкретное количество термопасты. Как видно из рис. 4, существует определенный оптимум, избыток TIM ведет к повышению Rth, поскольку теплопровод­ность любой пасты хуже, чем у контактирующих металлов (рис. 4).

Соотношение толщины слоя пасты и теплового сопротивления

Рис. 4. Соотношение толщины слоя пасты и теплового сопротивления

Обработка радиатора

Поверхность радиатора является важной частью теплового интерфейса. В инструкциях по монтажу различных типов модулей
(в том числе «базовых» и «безбазовых») даются указания по шероховатости (Rz), отклонению от плоскостности на определенном расстоянии (как правило, на 10 см) и допустимым размерам «ступенек» на поверхности. Эти требования должны быть учтены в технологическом процессе механической обработки радиатора. Качество поверхности контролируется на финальном этапе обработки визуально и с помощью специальных приспособлений.

На модуль или на радиатор?

Выбор способа нанесения пасты (на радиатор или на модуль) зависит от конструкции силового ключа и особенностей технологии сборки. В первом случае наибольшее распространение получил метод трафаретной печати, поскольку он позволяет формировать слой TIM для нескольких силовых ключей одновременно. Данный технологический процесс может быть адаптирован и для нанесения пасты на базовую плату модуля.

Подготовка пасты

В некоторых случаях компоненты пасты смешиваются до начала использования, что позволяет проверить гомогенность носителя и наполнителя и выявить дефекты их структуры, образовавшиеся, например, при ненадлежащем хранении или транспортировании. Проблемы могут возникнуть из-за взбалтывания материала внутри контейнера при перевозке. Иногда дефекты структуры TIM образуются при перемешивании материалов в смесителе, используемом при автоматизированной трафаретной печати. В идеале готовая паста должна иметь однородный цвет и консистенцию, не допускается наличие остатков несмешанного носителя, имеющего маслянистый характер. Термопасты, содержащие растворитель, смешиваются производителем, чтобы гарантировать равномерное распределение.

Использование ролика

При разработке новых изделий и мелко­серийном производстве можно наносить термопасту непосредственно на модуль, выполняя операцию с помощью резинового ролика (рис. 5). Этот простой и дешевый способ, однако, не гарантирует равномерность получившегося слоя. Преимущество метода состоит в том, что его толщину можно проконтролировать до установки модуля на теплосток. Рекомендуется применять ролик (также известный в полиграфии как брайер) твердостью 50–70 единиц по шкале Шора, которая измеряется с помощью твердометра. Такая жесткость резины не позволяет посторонним частицам проникать в слой пасты. Материал рабочей поверхности должен быть совместим с химическими средствами, предназначенными для очистки радиатора. Следует выбирать ролик с шириной, немного превышающей ширину базовой платы, чтобы обеспечить равномерное нанесение пасты и исключить ее попадание на корпус модуля. Также важно, чтобы его поверхность перед использованием была свободна от следов старой термопасты или других загрязнений.

Ролик для нанесения термопасты

Рис. 5. Ролик для нанесения термопасты

Последовательность операций

  1. Некоторое количество термопасты помещается на чистую, твердую и плоскую поверхность, например на стекло или в жесткий пластиковый лоток.
  2. Ролик перемещается вдоль лотка, пока термопаста не распределится тонким слоем равномерно по всей его поверхности (рис. 6). Обычно это сопровождается специ­фическим звуком, поскольку ролик «разрывает» поверхностное натяжение пасты и вытягивает ее на себя.
  3. Ролик прижимается к основанию модуля с легким усилием и перемещается вперед и назад сначала в прямом, а потом в перпендикулярном направлении (по осям X и Y, рис. 7) до тех пор, пока тонкий, равномерный слой не будет наблюдаться на всей поверхности базовой платы (или DBC-подложки у «безбазовых» модулей).
  4. Производится контроль толщины слоя (см. раздел «Измерение»).
  5. Если на ролике присутствует избыток пасты, он может быть удален путем перемещения ролика по «сухой» части стекла или лотка.

Покрытие поверхности ролика термопастой в жестком пластиковом лотке

Рис. 6. Покрытие поверхности ролика термопастой в жестком пластиковом лотке

Нанесение термопасты на модуль MiniSKiiP

Рис. 7. Нанесение термопасты на модуль MiniSKiiP

 

Трафаретная печать с помощью технической ткани (шелкография)

Трафаретная печать хорошо зарекомендовала себя при окраске тканей и в полиграфии, она подходит и для нанесения термопасты. Техническая сетчатая ткань натягивается на рамку с прямоугольным отверстием по размеру базовой платы модуля, после чего получившийся трафарет заполняется термопастой. Далее он размещается на небольшом расстоянии над радиатором или модулем, и шабер (скребок) из синтетической резины протягивается по ткани с заранее заданным углом и давлением. По мере того как трафарет соприкасается с поверхностью, паста выдавливается через сетку, в результате чего на теплостоке (или модуле) создается необходимый отпечаток.

Поскольку результирующий слой TIM получается однородным, его толщину сразу можно измерить. Существуют специальные полуавтоматические приспособления, способные контролировать высоту и положение трафарета, а также давление, прикладываемое к шаберу.

Используемые материалы

Традиционный метод печати известен как шелкография, однако современные высококачественные трафареты делаются из полиамидных нитей (нейлон), полиэтилентерефталата (РЕТ) и других полиэфиров и моноволокон. Кардинальное повышение долговечности трафарета обеспечивает сетка из нержавеющей стали. Шабер имеет прессованную алюминиевую ручку, к которой болтами крепится резиновый скребок средней твердости (60–80 единиц по шкале Шора). Более твердая резина (80 единиц) используется для вязких паст.

Параметры сетки

Сетка характеризуется количеством нитей на единицу площади и их диаметром (рис. 8). Номенклатура варьируется в зависимости от единицы измерения (см или дюймы) и материала (моноволокно или поливолокно), поэтому приходится учитывать особенности локальных рынков США и Европы. В целом характеристики сетки для нанесения термопасты намного «грубее», чем в полиграфии, — итоговая толщина слоя гораздо больше, соответственно, меньше внимания уделяется деталям.

Определение параметров сетки

Рис. 8. Определение параметров сетки

В таблице 2 представлены результаты измерений параметров слоя при использовании сетки PET и термопасты Wacker P12.

Таблица 2. Экспериментальные результаты

Обозначение по стандарту DIN

77–55

43–80

27–140

Количество нитей на см2

77

43

27

Диаметр нити d, мкм

55

80

140

Результирующая толщина слоя, мкм

20–30

40-50

70–80

Последовательность операций

  1. Радиатор с очищенной поверхностью помещается под трафаретом. Поскольку очистка и обезжиривание являются частью технологического процесса, для удаления отпечатков пальцев, пыли и других загрязнений рекомендуется использовать безворсовую ткань и неагрессивный растворитель, например изопропиловый спирт.
  2. Толстый слой пасты наносится на край трафарета с помощью шпателя. Далее шабер проходит по сетке с небольшим давлением (без контакта с радиатором), в результате чего она заполняется пастой.
  3. Трафарет опускается в окончательное положение для печати (4–7 мм над поверхностью радиатора в зависимости от степени натяжения).
  4. Шабер протягивается через трафарет с давлением, прижимая его к радиатору и формируя слой термопасты.
  5. Трафарет поднимается, радиатор снимается с приспособления, производится контроль параметров.

Обезжиривание поверхности радиатора с помощью безворсовой ткани

Рис. 9. Обезжиривание поверхности радиатора с помощью безворсовой ткани

Заполнение трафарета (слева направо)

Рис. 10. Заполнение трафарета (слева направо)

Нижняя сторона трафарета (виден зазор)

Рис. 11. Нижняя сторона трафарета (виден зазор)

Нанесение пасты (справа налево)

Рис. 12. Нанесение пасты (справа налево)

Окончательный вид слоя пасты (толщина 20 мкм, монтаж модуля SKiiP)

Рис. 13. Окончательный вид слоя пасты (толщина 20 мкм, монтаж модуля SKiiP)

 

Трафаретная печать с помощью металлического шаблона

Данный метод очень популярен и широко используется как при серийном производстве, так и при поставке модулей с предварительно нанесенной пастой. В этом случае техническая ткань заменяется стальным шаблоном, имеющим сотовую структуру отверстий (рис. 14). Шабер здесь нужен только для того, чтобы выдавить термопасту через шаблон на базовую плату или теплосток. Соты остаются на поверхности до тех пор, пока модуль не будет установлен на радиатор. Далее сборка подвергается воздействию нескольких термоциклов, в результате чего паста заполняет все оставшиеся пустоты. Форма, размер, расстояние между сотами, а также толщина шаблона определяют окончательную толщину слоя. Здесь невозможно непосредственно измерить толщину пасты перед установкой модуля, однако метод имеет ряд преимуществ:

Металлический шаблон (нержавеющая сталь), «сотовая» структура пасты перед установкой модуля

Рис. 14. Металлический шаблон (нержавеющая сталь), «сотовая» структура пасты перед установкой модуля

  • простота применения трафарета для персонала, не обладающего высокой квалификацией;
  • возможность формирования сложных структур отверстий, оптимизированных с учетом топологии кристаллов и кривизны базовой платы (такие шаблоны используются производителями модулей при их поставке с предварительно нанесенным слоем TIM);
  • долговечность оборудования, металлические шаблоны гораздо более износоустойчивы, чем тканевые трафареты.

Конструкция шаблона

Благодаря высокой прочности и стойкости к воздействию растворителей нержавеющая сталь чаще всего применяется для изготовления металлических трафаретов. Формирование сот производится путем лазерной резки или другого метода, обеспечивающего четкие границы отверстий. Штамповка в этом случае не рекомендуется, поскольку штамп может повредить край соты или оставить на нем острый участок. В результате трафарет не будет способен идеально примкнуть к радиатору или оставит царапины на его поверхности.

Сотовая структура трафарета является наиболее распространенной: она дает равномерное распределение пасты, ее параметры удобно нормировать на чертеже с помощью всего двух размеров (рис. 15).

Параметры сотовой структуры

Рис. 15. Параметры сотовой структуры

Размеры сот зависят от требуемой конечной толщины слоя пасты, ее типа и размера модуля (табл. 3).

Таблица 3. Параметры сотовой структуры трафарета для модулей MiniSKiiP

Тип модуля

Длина края соты s, мм

Расстояние между краями соты а, мм

Толщина шаблона, мкм

Номинальная толщина слоя пасты Wacker P12, мкм

MiniSKiiP 1

0,75

0,7

75

30

MiniSKiiP 2

1,1

0,5

100

55

MiniSKiiP 3

0,85

0,55

40

 

Технология нанесения

Технология нанесения пасты с помощью металлического шаблона очень близка к трафаретной печати с двумя заметными различиями:

  • шаблон находится в контакте с поверхностью радиатора;
  • нанесение пасты производится за один проход шабера (не требуется «заполнение» трафарета).

Последовательность операций:

  1. Радиатор с очищенной поверхностью помещается под трафаретом.
  2. Трафарет опускается до соприкосновения с радиатором. На его краю с помощью шпателя помещается некоторое количество пасты (рис. 16).
  3. Шабер проходит по шаблону один раз с высоким усилием, вдавливая пасту в отверстия сот.
  4. Трафарет поднимается, радиатор снимается и подвергается визуальному контролю.
На шаблоне помещается некоторое количество пасты перед проходом шабера

Рис. 16. На шаблоне помещается некоторое количество пасты перед проходом шабера

Нанесение пасты на один или несколько модулей производится аналогично. Перед опусканием трафарета модули устанавливаются основанием вверх на специальные направляющие, фиксирующие их по высоте и положению.

 

Особенности производственного процесса

Сравнение технологий нанесения пасты

Закономерен вопрос о том, зависит ли выбор способа нанесения (трафаретная печать или металлический шаблон) от нужной толщины слоя пасты. Шаблон толщиной менее 60 мкм трудно изготовить, поэтому для получения тонких слоев тканевые трафареты могут оказаться предпочтительнее. Например, для достижения эффективной толщины менее 20 мкм необходимо сильно увеличить расстояние а между сотами, однако при этом сложно обеспечить равномерное распределение пасты. На рис. 17 показано гипотетическое сравнение сотовой структуры, полученной методом шелко­графии, и эквивалентного шаблона, обеспечивающего такую же конечную толщину слоя. При использовании шелкографии на практике, как отмечалось ранее, подобная структура рисунка не нужна.

Гипотетическое сравнение структур трафаретов, необходимых для получения одинаковой толщины слоя пасты

Рис. 17. Гипотетическое сравнение структур трафаретов, необходимых для получения одинаковой толщины слоя пасты

Кроме того, если для нанесения пасты требуется гибкий материал (при определенной механической конструкции модуля), метод шелкографии также предпочтителен.

Износ материалов

Как и любые другие приспособления, тканевые трафареты и металлические шаблоны с течением времени изнашиваются из-за постоянного истирания. Поскольку нанесение TIM является частью производственного процесса, подвергающегося статистическому контролю (SPC), результирующая толщина слоя пасты должна регулярно измеряться и фиксироваться (см. раздел «Измерения»). Если контроль выявляет критические отклонения толщины слоя или дефекты структуры при нанесении, то проверяется износ трафарета/шаблона и производится замена.

Очистка материалов

При выявлении нарушений технологического процесса следы TIM должны быть полностью удалены перед повторным нанесением. Большинство паст растворяются такими средствами, как уайт-спирит, толуол, керосин и другие, конкретные рекомендации даются в технических спецификациях производителей. Чаще всего используется изопропиловый спирт, поскольку он менее токсичен и не оставляет следов. Этот растворитель широко распространен в электронике и рекомендуется как для чистки радиатора до монтажа, так и для удаления остатков термопасты.

Настоятельно рекомендуется использовать одноразовые безворсовые салфетки, чтобы избежать попадания частиц ткани между модулем и радиатором. Для восстановления трафаретов и шаблонов существуют специальные автоматические моечные машины. При ручной очистке необходимо позаботиться о том, чтобы структура ткани/шаблона не была нарушена. Как правило, трафареты слегка протираются растворителем и затем сушатся с помощью сжатого воздуха.

Хранение термопасты

Термопаста имеет определенной срок хранения, по истечении которого носитель и наполнитель могут разделиться до такой степени, что их повторное перемешивание и применение станет невозможным. Срок годности термопасты, определяемый ее производителем (например, 5 лет для силиконовых TIM), зависит от условий хранения (температура, влажность).

После того как паста поступает на сборочный конвейер, необходимо исключить ее загрязнение из внешней среды (пыль, различные частицы и т. д.). Настоятельно рекомендуется регулярно выполнять замену TIM (например, в конце каждого производственного цикла или смены), а также тщательно очищать инструменты.

 

Измерения

Рекомендации по толщине слоя термо­пасты, приводимые в инструкциях по монтажу модулей SEMIKRON, подразумевают ее равномерное распределение по поверхности модуля или радиатора перед монтажом.

Измерители толщины слоя

Параметры слоя термопасты можно проконтролировать с помощью так называемых измерителей толщины влажных пленок. Самые недорогие и распространенные приспособления показаны на рис. 18.

Измерители толщины слоя: гребенка и ролик

Рис. 18. Измерители толщины слоя: гребенка и ролик

Измерители гребенчатого типа, изготавливаемые из металла или пластика, имеют по краям базовые зубцы, опирающиеся на радиатор или базовую плату. Между ними находятся измерительные зубцы, расположенные на фиксированном расстоянии от поверхности теплостока. Приспособление устанавливается перпендикулярно поверхности измерения и перемещается, как показано на рис. 19. Толщина слоя определяется по делению на последнем зубце, на котором имеется след пасты (рис. 20).

Измерение толщины слоя с помощью гребенки (вид сбоку)

Рис. 19. Измерение толщины слоя с помощью гребенки (вид сбоку)

Измерение с помощью гребенки. Здесь толщина слоя находится в диапазоне 60–70 мкм (предполагается равномерное распределение пасты)

Рис. 20. Измерение с помощью гребенки. Здесь толщина слоя находится в диапазоне 60–70 мкм (предполагается равномерное распределение пасты)

Измеритель гребенчатого типа имеет следующие недостатки:

  • приспособление необходимо держать строго перпендикулярно (под 90°) к поверхности;
  • предполагается, что паста распределена равномерно, поэтому любые неоднородности слоя (повышения или понижения) будут искажать измерение.

По указанным выше причинам данное приспособление не рекомендуется использовать в тех случаях, когда толщина слоя должна находиться в очень узком диапазоне (например, при контроле «безбазовых» модулей).

Измеритель роликового типа состоит из двух одинаковых опорных дисков с делениями, между которыми установлен диск с постепенно уменьшающимся радиусом. Они вращаются вокруг общей оси, удерживаемой большим и указательным пальцами, и перемещаются по измеряемому слою (рис. 21). Окончание следа пасты на центральном диске соответствует измеряемой толщине. Как и в предыдущем случае, неравномерности слоя приводят к искажению оценки. Однако ролик дает более точные результаты, поскольку внешние диски обеспечивают перпендикулярное положение приспособления относительно поверхности радиатора.

Измерение толщины слоя пасты на модуле MiniSKiiP с помощью ролика

Рис. 21. Измерение толщины слоя пасты на модуле MiniSKiiP с помощью ролика

Оптический контроль

Оптическая 3D-профилометрия — самый совершенный метод оценки толщины пленок. При контроле качества нанесения термопасты часть ее удаляется, и получившаяся чистая зона используется в качестве опорной точки для сканирующей машины. После фиксации образца в установке лазер начинает перемещаться вдоль поверхности, сканируя ее (рис. 22). Результатом является детальный снимок профиля пасты, на основании которого можно вычислить среднюю толщину слоя. Поскольку исследование всей поверхности занимает достаточно много времени, данный метод обычно используется для квалификационных тестов и научных исследований.

Настольный профилометр (слева), сканированное изображение слоя пасты на модуле MiniSKiiP (справа)

Рис. 22. Настольный профилометр (слева), сканированное изображение слоя пасты на модуле MiniSKiiP (справа)

 

Весовой контроль

При использовании шаблона с определенной структурой (например, сотовой) невозможно определить толщину слоя термопасты до установки модуля на радиатор. В этом случае индикатором «правильного» объема TIM является вес.

Модуль помещается на цифровые весы, шкала обнуляется (рис. 23, слева). После нанесения пасты производится повторное взвешивание (рис. 23, справа). Эффективную толщину пасты (при условии равномерного распределения) можно оценить с помощью следующего выражения:

Толщина слоя = (Вес пасты)/((Плотность пасты) × (Площадь нанесения))

Измерение веса до (слева) и после (справа) нанесения пасты

Рис. 23. Измерение веса до (слева) и после (справа) нанесения пасты

 

Тестирование

Проверка наличия трещин на изолирующей подложке

«Безбазовые» модули особо чувствительны к нарушениям правил монтажа, приводящим к повреждению керамической (DBC) подложки. Для проверки ее целостности предусмотрен высоковольтный тест. При избыточном количестве термопасты или превышении момента затяжки крепежных винтов в подложке образуются трещины, резко ухудшающие изоляционные свойства. Подача высокого напряжения между силовыми терминалами и радиатором позволяет зафиксировать токи утечки, возникающие при повреждении изоляции. Высоковольтный тест обычно является необходимой частью производственных испытаний продукции, сертифицируемой по стандарту UL [5].

Термоциклирование

Сразу после монтажа модуля термопаста не распределяется надлежащим образом по базовой плате и, следовательно, не обеспечивает заданные характеристики. Нагрев и охлаждение создают расширение и сжатие радиатора и базы, что приводит к лучшему заполнению зазора между модулем и теплостоком. Таким образом, после установки модуля рекомендуется подвергнуть сборку воздействию нескольких термоциклов для обеспечения оптимальных тепловых характеристик. Процесс предусматривает трехкратное изменение температуры радиатора с +20 °C примерно до +100 °C и обратно. Каждый цикл обычно длится около 1 ч, чтобы система могла прийти в тепловое равновесие (рис. 24).

Тепловой профиль радиатора при термоциклировании

Рис. 24. Тепловой профиль радиатора при термоциклировании

Измерение Rth

Как видно из рис. 3, наиболее корректным методом оценки эффективности применения термопасты является измерение ее вклада в величину суммарного теплового сопротивления Rth. Как правило, для этого предназначен специально подготовленный радиатор. Температура корпуса модулей с базовой платой определяется в соответствующей контрольной точке на теплостоке [10]. При известном значении рассеиваемой мощности это позволяет рассчитать величину Rth(c-s)/Rth(j-s) и сравнить ее с результатами моделирования для различных типов TIM.

Для «безбазовых» компонентов важно иметь термодатчик внутри корпуса (на кристалле или изолирующей подложке) и знать его положение относительно контрольной точки. Это может быть стандартный модуль с термистором на DBC-подложке (например, SEMiX), а также специально подготовленный силовой ключ с термопарами на чипах или имеющий «окна» для измерений с помощью инфракрасной камеры (например, FLIR). Подробная информация о положении контрольных точек для различных типов модулей и методах определения тепловых сопротивлений дана в [4, 10].

Визуальный контроль

Для контроля качества производственного процесса (после монтажа и технологического термоциклирования) модуль можно снять с радиатора и проверить равномерность распределения пасты. Чтобы получить максимально корректную картинку, для демонтажа рекомендуется использовать острый пластиковый шпатель, который помещается под краем модуля с небольшим усилием. Некоторое время необходимо для преодоления поверхностного натяжения, после чего шпатель слегка поворачивается, чтобы отделить силовой ключ от поверхности радиатора.

Хорошее распределение термопасты характеризуется равномерным цветом следа на основании модуля и отсутствием пустот (рис. 25, слева). Толщина слоя возле монтажных отверстий и по краям обычно меньше, чем в центре. При неправильном распределении наблюдаются пустоты или характерные узоры с более высокой концентрацией пасты (рис. 25, справа). Ее излишки могут присутствовать на краях модуля и выдавливаться в отверстия. Более подробная информация и фотографии представлены в [3].

Хорошее распределение (слева), избыток пасты (справа)

Рис. 25. Хорошее распределение (слева), избыток пасты (справа)

 

Вопросы надежности

«Тепловое выдавливание»

Воздействие циклов нагрев/охлаждение способствует лучшему распределению термо­пасты в зазоре, однако они же создают «откачивающий» эффект, выдавливающий пасту из зазора. Тепловое расширение модуля приводит к перемещению его основания вверх/вниз (упрощенный гиперболизированный сценарий показан на рис. 26). Этот эффект в большей степени выражен у компонентов с базовой платой, поскольку коэффициент ее теплового расширения (КТР) выше, чем у керамического основания «безбазовых» модулей. Главным образом «откачивание» проявляется при больших и продолжительных изменениях нагрузки, сопровождаемых высокими перепадами температуры (ΔT).

Гиперболизированный сценарий теплового перемещения базовой платы, приводящего к выдавливанию

Рис. 26. Гиперболизированный сценарий теплового перемещения базовой платы, приводящего к выдавливанию

Следы выдавливания пасты в результате многократного термоциклирования модуля SEMITRANS

Рис. 27. Следы выдавливания пасты в результате многократного термоциклирования модуля SEMITRANS

Еще одним негативным следствием описанного выше эффекта является разделение носителя и наполнителя TIM. В структуре пасты отдельные частицы наполнителя имеют некую оболочку, позволяющую им оставаться в связанном виде в маслянистом носителе. Воздействие высокой температуры и влажности может разрушить эту оболочку, что приведет к разделению составляющих термопасты. Данный феномен показан на рис. 28, где глянцевая прозрачная субстанция на базовой плате представляет собой силиконовое масло, оставшееся на основании модуля после отделения и вытеснения наполнителя. Единственным методом оценки устойчивости термопасты к «насосному» эффекту и тепловому выдавливанию является длительный тест на термоциклирование.

Разделение материалов носителя и наполнителя на основании модуля SEMITRANS в результате длительной работы при высокой температуре

Рис. 28. Разделение материалов носителя и наполнителя на основании модуля SEMITRANS в результате длительной работы при высокой температуре

Изменение цвета радиатора

Повторяющиеся термомеханические стрессы, возникающие при циклическом изменении температуры, создают трение в зонах контакта «металл-металл» теплостока и модуля. В случае с наиболее распространенными алюминиевыми радиаторами это часто приводит к образованию черных отметок, заметных на рис. 29 около угловых монтажных отверстий модуля SEMITRANS. Они возникают в зонах, где максимально плотный контакт «металл-металл» обусловлен монтажным усилием крепежных винтов. По сути, это не является проблемой, однако наличие таких следов может указывать на наличие интенсивных и длительных термоциклов.

Черные отметки на радиаторе вследствие длительного термоциклирования

Рис. 29. Черные отметки на радиаторе вследствие длительного термоциклирования

 

Механизмы отказа

Типичным следствием неправильного применения термопасты (если исключить механические повреждения) является перегрев силовых ключей. При использовании модулей со встроенными датчиками температуры (например, SEMiX) информация
о ней поступает на систему управления, которая может адекватно отреагировать. Однако зачастую признаки перегрева никак не проявляются до тех пор, пока полупровод­никовый чип не выйдет из строя. На рис. 30 показано, как продолжительный тепловой стресс привел к обесцвечиванию медного слоя на DBC-подложке и даже частичному оплавлению припоя.

Обесцвечивание медного слоя на DBC-подложке в результате длительного перегрева

Рис. 30. Обесцвечивание медного слоя на DBC-подложке в результате длительного перегрева

Повреждение керамической подложки

Избыток пасты препятствует нормальному отводу тепла, но главная проблема состоит в том, что при этом повышается риск физического повреждения силового модуля. Усилие, необходимое для выдавливания избыточной термопасты из зазора, зачастую превышает нормированную величину момента затяжки, указанную в инструкции по монтажу. Последствия видны на рис. 31: если излишки пасты остаются на основании модуля, то при монтаже в зазоре создается мощное давление, поскольку материал TIM почти несжимаем. То же самое относится и к воздушным полостям, которые могут образовываться в толстом слое плохо распределенной термопасты.

Изображение модуля SEMITOP 3, полученное с помощью сканирующего акустического микроскопа (SAM). Трещины на керамической подложке являются результатом нарушения правил монтажа (избыточное количество термопасты, превышение момента затяжки)

Рис. 31. Изображение модуля SEMITOP 3, полученное с помощью сканирующего акустического микроскопа (SAM). Трещины на керамической подложке являются результатом нарушения правил монтажа (избыточное количество термопасты, превышение момента затяжки)

Вязкость пасты в сочетании со скоростью перемещения модуля при его монтаже определяет степень механического напряжения, воздействующего на изолирующую подложку. Толстый слой TIM (при плохом перемешивании или при высоком содержании наполнителя) не будет сжиматься так быстро, как паста с меньшей вязкостью. Поэтому надо быть особо осторожным при работе с так называемыми высокопроизводительными пастами с большим содержанием наполнителя. Следует строго соблюдать требования по применению автоматических отверток, приведенные в инструкции по монтажу. При использовании таких инструментов на высоких скоростях паста не успевает равномерно распределиться в зазоре, в результате чего увеличивается механическое напряжение в изолирующей подложке (рис. 32).

Точки механического напряжения (красные стрелки) в основании «безбазового» модуля при избыточном количестве или высокой вязкости термопасты

Рис. 32. Точки механического напряжения (красные стрелки) в основании «безбазового» модуля при избыточном количестве или высокой вязкости термопасты

 

Решение проблемы: паста с изменяемым фазовым состоянием

На рис. 33 показано основание модуля SEMiX Press-Fit с нанесенной пастой с изменяемым фазовым состоянием PCM (Phase Change Material) HALA TPC-Z-PC-P8 [9].

Базовая плата модуля SEMiX с нанесенным слоем РСМ, структура трафарета соответствует технологическому изгибу базовой платы

Рис. 33. Базовая плата модуля SEMiX с нанесенным слоем РСМ, структура трафарета соответствует технологическому изгибу базовой платы

Структуры РСМ отличаются высокой теплопроводностью и простотой применения. При комнатной температуре такой материал находится в твердом состоянии, его переход в жидкую фазу происходит только при нагреве (рис. 34). Это позволяет безопасно транспортировать компоненты с нанесенным слоем TIM, который разжижается и заполняет зазор между базовой платой и радиатором в процессе естественного нагрева (например, в ходе эксплуатации).

Распределение материала РСМ на поверхности модуля SEMiX после трех термоциклов +20/+85 °С

Рис. 34. Распределение материала РСМ на поверхности модуля SEMiX после трех термоциклов +20/+85 °С

Материал с изменяемым фазовым состоянием HALA TPC-Z-PC-P8 наносится на базовую плату модуля с помощью металлического трафарета, так же как и обычная паста Wacker Р12. Разницу можно почувствовать, прикоснувшись к образовавшемуся слою: РСМ по консистенции напоминает свечной воск.

От термопаст с силиконовым носителем и металл-оксидным наполнителем РСМ отличается более высокой теплопроводностью (примерно в три раза), соответственно, снижается тепловое сопротивление (Rth(c-s) — до 30%, Rth(j-s) — до 15%). При нормальной температуре данный материал представляет собой твердую субстанцию, поэтому риск его загрязнения или повреждения при транспортировке гораздо ниже. К недостаткам можно отнести более высокую стоимость (примерно в три раза выше, чем у Р12), что с избытком компенсируется за счет улучшения тепловых характеристик. Благодаря новой технологии предварительного изгиба базовой платы, реализованной в модулях SEMiX**E4p и позволяющей существенно снизить биметаллический эффект, оптимальная толщина рабочего слоя может быть уменьшена до 30–50 мкм, что приводит к заметному улучшению тепловых характеристик.

При нанесении РСМ в заводских условиях используются очень жесткие технологические нормы, исключающие появление воздушных пустот (минимальный предел) или отсутствие зон контакта «металл-металл» (максимальный предел). Соблюдение столь точных допусков достигается благодаря автоматизированному контролю с помощью новейших оптических измерительных средств. Метод высоко­скоростного 3D-распознавания образов позволяет фиксировать мельчайшие отклонения размеров сот или наличие перемычек между ними. Подобные системы способны контролировать качество сотовой структуры TIM на основании модуля, даже при его поступательном и вращательном движении.

Литература
  1. THERMAL PASTE APPLICATION, SEMIKRON AN18-001.
  2. Wintrich A., Nicolai U., Tursky W., Reimann T. Application Manual Power Semiconductors. 2nd ISLE Verlag, 2015.
  3. Hopfe S. Technical Explanation Thermal Interface Materials. Rev. 01. SEMIKRON INTERNATIONAL GmbH, 2016.
  4. Wintrich A. Thermal resistance of IGBT Modules — specification and modeling. AN-1404, Rev. 01. SEMIKRON INTERNATIONAL GmbH, 2014.
  5. Weiss R. High voltage testing. AN 16-002, Rev. 00. SEMIKRON INTERNATIONAL GmbH, 2016.
  6. Esau D. Thermal Paste Application. AN-10-001, Rev. 0. SEMIKRON INTERNATIONAL GmbH, 2010.
  7. Колпаков А. Надежность прижимных соединений силовых модулей IGBT в агрессивных индустриальных средах // Силовая электроника. 2006. № 4.
  8. Freyberg, M. Application of thermal paste for power modules without base plate. SEMIKRON International, 1999.
  9. Хопфе С., Винтрич A. Plug & Play: применение силовых модулей с предварительно нанесенной термопастой // Силовая электроника. 2017. № 3.
  10. Колпаков А. Контрольная точка, или Об умении читать datasheet между строк // Электронные компоненты. 2005. № 6. 2006. № 9.
  11. Колпаков А. Компаунд, паста или пленка // Компоненты и технологии. 2008. № 3.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *