Besondere Fachkompetenzen

Thermische Charakterisierung

Überblick Wärmepfad

Thermo-mechanisches Management erfordert Systemkompetenz, um den Wärmepfad so auszulegen, dass er folgende Kriterien erfüllt:

  • Hohe thermische Performance
  • Thermo-mechanische Zuverlässigkeit
  • Prozessierbarkeit
  • Kostengünstig

Oft kann eine Verbesserung des Wärmepfades schon an der Quelle ansetzen, also auf eine thermisch performantere Packagingtechnologie zurückgreifen. Falls das nicht möglich ist, sind auf Board-Ebene oder Zwischenebene (siehe Abbildung) mehrere Möglichkeiten gegeben. Am Ende steht die Abgabe der Wärmeenergie an die Umgebung, in der Regel durch Konvektion und Strahlung.

Übersicht von Kühlungskonzepten und der grundlegenden Mechanismen.
Weg der Wärme von Erzeugung im Chip bis in die Umgebung

Überblick thermische Materialien (Lote, Kleber, Sinterwerkstoffe, etc)

Die Systemintegration ist zu einem großen Teil werkstoffgetrieben aus Gründen der Funktionalität, Zuverlässigkeit und der Kosten. Diese Tabelle illustriert die große Zahl der Werkstoffe, welche bei thermischen Technologien für Kühlkonzepte eine Rolle spielen in verschiedenen Ebenen des Wärmepfades, also von der Wärmequelle (z.B. Transistor) bis zum System (z.B. Rückkühler). Alle diese Werkstoffe müssen charakterisiert werden u.a. in Abhängigkeit ihrer Prozessbedingungen (z.B. Temperatur, Druck, Zeit), Einsatzbedingungen (z.B. Temperatur) und Fügepartner (wg. thermischem Grenzflächenwiderstand). Herstellerangaben sind oft nur eine grobe Orientierung und für einen Systementwurf zu ungenau.


Überblick thermische Charakterisierungsmethoden

Die zunehmende Integrationsdichte bei der Miniaturisierung von elektronischen Schaltkreisen erzeugt dünne Schichten welche bzgl. ihres thermischen Widerstandes bzw. ihrer thermischen Leitfähigkeit charakterisiert werden müssen. Unterhalb einer bestimmten Dicke kommen dabei nur noch transiente Verfahren in Frage, von welchen die genauesten Laser-basiert oder elektrisch (3Omega-Methode) sind, da sie eine definierte Impulsform erlauben. Für größere BLT oder Werkstoffe mit geringerer Wärmeleitfähigkeit können Blitzlampen oder sogar statische Methoden erfolgreich eingesetzt werden. Bei sehr dünnen Schichten können Methoden der Phononenreflektanz zur Anwendung kommen. Hier sind dann Size-Effekte zu erwarten (Phonon-Confinement, ballistischer Transport) welche jenseits der Gültigkeit des Fourier’schen Gesetzes (diffusiver Wärmetransport) liegen.

Einteilung der thermischen Charakterisierungsmethoden nach Dicke der zu messenden Schichten.

Beispiele von TIMs, Korrelation zur Struktur

Die Werkstoffwissenschaften untersuchen die Korrelation der Eigenschaften mit der Struktur der Werkstoffe, so auch bzgl. thermischer Eigenschaften. Wie üblich beeinflussen die Prozessbedingungen dabei stark die Struktur und damit die Werkstoffeigenschaften. Jahrelange Erfahrung mit der Charakterisierung von thermischen Interface-Materialien (TIMs) erlauben Regeln zur Materialauswahl bzgl. thermischer Performance, Prozessierbarkeit und Zuverlässigkeit. Die Schlüsselvariablen sind unten aufgeführt, ihre optimale Abstimmung in Chemie und Physik ist u.a. die Kunst bzw. Wissenschaft der Materialhersteller, ihre Bestimmung und Charakterisierung die der Institute, da die wirklichen Werte eben von der individuellen Prozessführung abhängen.

Die sechs goldenen Regeln und Einflußfaktoren zur Maximierung der Wärmeleitfähigkeit: 1. Percolation: Füllerkonzentration, Leitfähigkeit und Modalität, 2. Füllpartikelgröße, 3. Kontakt (Kapitza)-Widerstand, 4. Aspektverhältnis, 5. Ausrichtung, 6. Matrixverdichtung.
Struktur eines per Scrubbing aufgebauten Silbergefüllten Wärmeleitkleber mit Epoxidharzmatrix. Man sieht die Anisotropie, welche durch die Prozessführung erzielt worden ist.

Thermo-elektrische Kühler

Thermoelektrische Kühler kommen zum Einsatz bei Temperaturstabilisierung, Sub-Ambient Anwendungen oder bei speziellen Entwärmungslösungen. Um eine zuverlässige Integration in ein Kühlkonzept zu ermöglichen, müssen diese TECs vorher thermisch und thermo-mechanisch charakterisiert werden. Die thermische Charakterisierung kann in ein thermo-elektrisches Kompaktmodell münden.

Ergebnis der TE Charakterisierung.
Thermo-elektrische Charakterisierung eines TE unter benutzerdefinierten Randbedingungen.

"Heat pipe" Charakterisierung und Simulation

Heat pipes (HP) gelten in der heutigen thermischen Systemgestaltung als attraktive und kostengünstige Lösung zur Verbesserung der Wärmeleitung und –spreizung. Sie übertreffen die effektive Wärmeleitfähigkeit von zum Beispiel Kupfer je nach Bauart um 2-3 Größenordnungen, unterliegen jedoch einem bestimmten Arbeitsbereich, über dessen Grenzen hinaus verschiedene limitierende Flussmechanismen (bis hin zum “Dry out“) die Performance drosseln. Dieser kann in unseren Labors unter Berücksichtigung von Einflussfaktoren wie Wärmestrom, Temperatur oder auch HP-Orientierungsrichtung vermessen werden. Die gemessenen Daten speisen gekoppelte Simulationsmodelle die effektiv die Performancecharakteristik abbilden.


"Phase Change" Buffer

Neben der Ausnutzung von Konvektion (Kühlkörpern und Lüftern) kann auch die Zwischenspeicherung von Wärme eine Lösung für Kühlkonzept darstellen. Werkstoffe mit Phasenübergang fest-flüssig im interessanten Temperaturbereich bieten sich zur transienten Speicherung von Wärmeenergie an, da die Temperatur während des Phasenübergangs konstant bleibt. Typische Materialien dafür reichen von Kohlenwasserstoffen (Wachsen) bis zu eutektischen Legierungen (z.B. Lotwerkstoffen). Das JLB hat einen zuverlässigen und schnell ansprechenden thermischen Buffer entwickelt, welcher bei einer Übergangstemperatur von 140°C zur Speicherung von 6 kJ fähig ist. Diese Technologie kann auch übertragen werden auf höhere thermische Kapazitäten und andere Arbeitstemperaturen.

Wirkungsweise des Buffers bei verschiedenen Lasten. Bei einem optimalen Laststrom von I = 3 A ist der Buffer mehr als t = 3 min fähig die Wärme aufzunehmen.
Buffer verschiedener Bauart und Kapazität mit Au oder Ni Metalisierung.

 

Vakuumkammer zur gezielten Isolation thermischer Effekte

Oft sind bei der Versuchsdurchführung Konvektion oder die dämpfende Wirkung von Luft hinderlich. Unsere Vakuumkammer erlaubt in-situ Messungen im Hochvakuum bis p = 10e-6 mbar. So können MEMS ohne Verkappung oder thermische Effekte nur unter Strahlungsentwärmung gestestet werden. IR- und lichtoptische Beobachtungsmöglichkeiten sowie Nanomanipulation sind möglich. Wafer bis 12“ können vermessen werden. Ports für elektrische Ansteuerung sowie Wasserkühlung sind vorhanden.

MEMS mit thermischem Aktor bei der IR Thermographie, kontaktiert in der Vakuumkammer durch vier Nanomanipulatoren.
Vakuumkammer mit IR-Kamera.

Thermographische Lösungen & Fehleranalytik & Anwendungen

Es existieren verschiedene thermograpfische Verfahren zur Oberflächentemperaturmessung. Hierzu gehören vor allem die Infrarotthermograpfie, die Rastertemperaturmikroskopie (SThM - Scanning Thermal Microscopy) und die Thermoreflectance-Thermograpfie.

Thermograpfische Messungen mittels einer Infrarotkamera und die gerätetechnische Infrarottechnik sind weit entwickelt und werden standardmäßig eingesetzt. Durch die Nutzung der thermischen Strahlung der Oberflächen ist die örtliche Auflösung der Infrarottechnik auf ca. 2µm bei Raumtemperatur limitiert. Die Temperaturauflösung liegt bei ca. 0,02 K bei aktuellen Kameras mit gekühlten Detektoren. Es können jedoch keine reflektierenden Oberflächen vermessen werden. Gerade diese reflektierenden Oberflächen sind typische bei unverkapselten elektronischen Bauelementen wie Leistungstransistoren oder PowerLEDs. Alternativ kann hier die Thermoreflectance-Thermograpfie zur Temperaturmessung eingesetzt werden.

IR-Pulsthermografie (IR-PT)


IR-Puls-Phasenthermografie (IR-PPT)


IR-Lock-in Thermographie (IR-LIT)

Die LIT wird verwendet, um Amplituden- und Phaseninformation eines oszillierenden Temperaturfeld
zu ermitteln. Ein Objekt wird dazu mit der Lock-In-Frequenz thermisch periodisch angeregt, wodurch thermische Wellen erzeugt werden. Die Amplituden- und Phaseninformation dieser Wellen werden von der inneren Struktur eines Objektes beeinflusst und können somit als Indikator für mögliche innere Defekte herangezogen werden. Durch die Filterwirkung des Lock-In-Verfahren können kleinste Temperatursignale, auch unterhalb des Rauchpegels, detektiert werden.

Detektion von kleinsten Temperaturschwankungen hervorgerufen durch eine vergrabene, elektrisch gepulste Joulesche Wärmequelle (ca. 6 mW) erzeugt eine Temperaturoszillation von etwa 10 mK.

3-omega Thermographie (3o-T)


 Thermoreflectance-Thermografie (TR-T)

Der Effekt der Thermoreflectance ermöglicht es, die Vorzüge von Infrarottechnik (kontaktlos) und SThM (hohe örtliche Auflösung) in sich zu vereinen. Die örtliche Auflösung ist durch das ABBE-Limit beschränkt und liegt bei der Nutzung im sichtbaren Bereich bei 250 nm. Die mögliche Temperaturauflösung ist ähnlich der Infrarottechnik und liegt bei 0,05 K.

Prinzip der Thermoreflectance-Thermograpfie. Mittels einer definierten Lichtquelle und einer CCD-Kamera wird direkt die Reflektivität einer Probe gemessen. Lokale Änderungen der Reflektivität wird mittels vorheriger Kalibrierung als Temperatur interpretiert.
Thermoreflectance Koeffizient über Beleuchtungswellenlänge für verschiedene Materialien.

Thermo-mechanische Charakterisierung, Zuverlässigkeit und Fehleranalytik

Advanced Mixed-Mode Bending Test (AMB)

Materialauswahl und Packageoptimierung bzgl. thermo-mechanischer Zuverlässigkeit bedarf kritischer Materiadaten. Um die Tendenz zur Delamination oder Rissfortschritt im Material vorherzusagen, müssen die Werkstoffe bzw. Werkstoffpaarungen auf ihre bruchmechanischen Kennwerte (z.B. Energiefreisetzungsrate als Funktion des Lastwinkels und der Temperatur) hin charakterisiert werden.

Der AMB Test stellt eine neu entwickelte Charakterisierungsmethode dar, welche nur sehr wenige (Bi-)Materialproben benötigt um den gesamten Winkelbereich des Mode-Mixes abzudecken. Dies ist neu und erlaubt schnelle, günstige und genaue Parameterbestimmung. Dabei können auch miniaturisierte Samples zum Einsatz kommen, z.B. aus dem Package selbst herausgeschnittene. So ist die Vergleichbarkeit zur Technologie voll gegeben.

Ergebnis G(psi), ermittelt mit zwei Proben innerhalb von 2 Stunden.
Einspannung und Belastung beim AMB Tester.

Transient thermische Fehleranalyse (IR-Thermografie)

Eine neue und moderne fehleranalytische Methode zur industriellen Anwendung an neuen Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik. Das Verfahren basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen und Defekten. Die Besonderheit ist dabei die Zerstörungsfreiheit, die Geschwindigkeit, das Auflösungsvermögen und die durch neueste IR-Detektoren erreichte Temperaturempfindlichkeit. Das Messsystem besteht u.a aus folgenden Modulen, der Impulsthermografie, und zwei Varianten der LockIn-Thermografie. Zusammen ist das System in der Lage, Voids, Delaminationen und Risse in verschiedenen Bereichen auch der modernen Aufbau- und Verbindungstechniken (z.B. Sintersilber und Sinterkleber) sicher zu erkennen. Es werden dabei Temperaturauflösungen bis zu 5 mK und laterale Auflösungen bis 17 µm erreicht.

Typisches Ergebnissbild der Impulsthermografie mit dem Vergleich zu einen Ultraschallaufnahme.
Messplatz für Fehlstellendetektion in Lotschichten und typisches Ergebnissbild der Impulsthermografie mit dem Vergleich zu einen Ultraschallaufnahme.

 

 

 

Weitere Forschungs- und Kopetenzfelder auf den Webseiten der Professur:
https://www.tu-chemnitz.de/etit/wetel/forschung/index.php