DE102011003862A1 - Verfahren und Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials - Google Patents

Verfahren und Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials Download PDF

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Mohamad Abo Ras
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Bernhard Wunderle
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM), von welchem eine Probe (26) mit einer vorgegebenen Schichtdicke (D1) zwischen einem Thermotestchip (24) und einem Metallgrundkörper (22) angeordnet und mechanisch belastet wird, wobei für jeden Belastungszustand ein thermischer Widerstand des thermischen Interface-Materials (TIM, 26) ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des thermischen Widerstands in einer Messanordnung (20) mindestens eine aktuelle Temperatur vor und mindestens eine aktuelle Temperatur nach der thermischen Interface-Materials-Probe (26) und eine aktuell wirkende Kraft (7) gemessen werden. Erfindungsgemäß wird die thermische Interface-Material-Probe (26) zyklisch mechanisch belastet, um eine aktuelle Schichtdicke (D1) der thermischen Interface-Material-Probe (26) zu verändern, wobei die resultierende Schichtdicke (D1) der thermischen Interface-Material-Probe (26) gemessen und zur Ermittlung des thermischen Widerstands und des Alterungsverhaltens des thermischen Interface-Materials (26) ausgewertet wird.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung geht aus von einem Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1, und von einer Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 7.
  • Aus dem Stand der Technik sind einige Standard-Testverfahren (ASTM E 1225-99, ASTM E1461-01, ASTM E 1530-99, DIN V 54462) zur Bestimmung eines thermischen Widerstands von thermischen Interface-Materialien (TIM) sowie benutzerspezifische Testverfahren bekannt, welche zur Charakterisierung des Alterungsverhaltens von thermischen Interface-Materialien (TIM) und deren Grenzflächen unter mechanischer Belastung verwendet werden können.
  • ASTM D-5470 beschreibt beispielsweise ein Verfahren, um den thermischen Widerstand von thermischen Interface-Materialien (TIM) zu messen. Die Messanordnung besteht aus zwei Kupferblöcken, zwischen denen Wärme transportiert wird. Dazwischen befindet sich das thermische Interface-Material (TIM). In beiden Kupferblöcken messen Temperaturfühler die Temperatur an mehreren Stellen. Die. Oberflächentemperatur jedes Blocks kann aus dem gemessenen Temperaturgradienten bestimmt werden. Die Messung erfolgt im thermischen Gleichgewicht.
  • Andere geeignete Methoden sind beispielsweise die Laser-Flash-Methode und die Fitch Calorimetry Methode. Zur Durchführung dieser Methoden sind jedoch zusätzliche Materialeigenschaften wie Dichte und Wärmekapazität erforderlich, welche Quellen für zusätzliche Fehler sind.
  • Bei dünnen thermischen Interface-Materialien (TIM) und kleinen Flächen ist der thermische Grenzflächenwiderstand nicht vernachlässigbar. In der Konzeptentwicklung sind thermische und thermomechanische Simulationen erforderlich, um das optimale Konzept zu finden. Hierfür sind exakte Werte für die Bulk- und Grenzflächeneigenschaften der thermischen Interface-Materialien (TIM) erforderlich. Es gibt kein Messverfahren, das den thermischen Grenzflächenwiderstand in der Applikation bestimmen kann. Meist wird ein Materialranking durchgeführt. Liegen aber exakte Bulk- und Grenzflächeneigenschaften vor, kann das System genau beschrieben werden.
  • Im Artikel „CHARACTERIZATION OF THERMAL INTERFACE MATERIALS TO SUPPORT THERMAL SIMULATION" von Ralph Schacht et al. aus TIMA Editions/THERMINIC 2006, Nice, 27–29 September 2006, werden beispielsweise ein Verfahren und eine Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface Materials (TIM) beschrieben. Gemäß dem beschriebenen Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM), wird eine korrespondierende Materialprobe mit einem vorgegebenen Schichtdicken zwischen einem Thermotestchip und einem Metallgrundkörper angeordnet und mechanisch belastet. Hierbei wird für jeden Belastungszustand ein thermischer Widerstand der TIM-Probe ermittelt. Zur Ermittlung des thermischen Widerstands werden in der Messanordnung mindestens eine aktuelle Temperatur vor und mindestens eine aktuelle Temperatur nach der TIM-Probe und eine aktuell wirkende Kraft gemessen und ausgewertet. Die Messungen und die Ermittlung des thermischen Widerstands und dessen Alterungsverhalten wird für verschiedene Schichtdicken des thermischen Interface-Materials (TIM) wiederholt.
  • Transiente Messverfahren sind nicht zur Charakterisierung von Materialien mit temperaturabhängigen thermischen und mechanischen Eigenschaften geeignet. Veröffentlichte Materialeigenschaften beziehen sich meist auf die spezifische verwendete Messanordnung und die dort eingesetzten Oberflächen (Finish, Ebenheit, Rauheit, Druck, ...). Thermische Interface-Materialien (TIM) werden aber in einem weiten Bereich dieser Größen eingesetzt, welche nicht immer den Applikationsbedingungen entsprechen.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen-Interface-Materials (TIM) mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 sowie die zugehörige erfindungsgemäße Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen-Interface-Materials (TIM) mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 7 haben demgegenüber den Vorteil, dass weitgehend die Bedingungen und Belastungen nachgestellt werden können, welche das thermische Interface-Material (TIM) TIM in der korrespondierenden Anwendungsapplikation sieht, wobei während der Belastung in jedem Zustand die thermischen Eigenschaften des thermischen Interface-Materials (TIM) und der Grenzflächen bestimmt werden können.
  • Um das Alterungsverhalten der thermischen Widerstände von thermischem Interface-Material (TIM) zu untersuchen, kann beispielsweise ein Power-Cycling oder mechanisches Zyklen des Verbundes aus thermischen Interface-Materialien (TIM) mit den Grenzflächen eingesetzt werden. Durch die Zyklen verändert sich periodisch die Schichtdicke der thermischen Interface-Material-Probe (TIM-Probe).
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung können für alle Stoffklassen von thermischen Interface-Materialien (TIM) verwendet werden. Des Weiteren können die Schichtdicken der thermischen Interface-Materialien (TIM) wie in der zugehörigen Anwendungsapplikation realisiert werden. In vorteilhafter Weise können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung Oberflächen, im Bezug auf Ebenheit, Rauheit, Material, Temperatur usw. realisieren wie sie in vielen Anwendungsapplikationen auftreten. Zudem können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung die mechanische Belastung des thermischen Interface-Materials (TIM) wie in der korrespondierenden Anwendungsapplikation abbilden. Gleiches gilt für die Realisierung von in der korrespondierenden Anwendungsapplikation auftretenden Dickenänderungen in unterschiedlichen Zeitmaßstäben. Außerdem können Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung in jedem Zustand den thermischen Widerstand bestimmen, wobei hier auf verschiedene Temperatur-, Druck- und/oder Schichtdickezustände Bezug genommen wird. In vorteilhafter Weise erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung aus den ermittelten Ergebnissen auf die Bulk- und Grenzflächenwiderstände zurückzurechnen, und zwar für jeden Belastungszustand. Diese Werte können dann in thermischen und thermomechanischen Simulationen verwendet werden. In vorteilhafter Weise sind Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung bei verschiedenen TIM-Temperaturen anwendbar, so dass Temperatureinflüsse und Beschleunigungsfaktoren bestimmt werden können. Des Weiteren erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Verhalten und die Alterung(smechanismen) des thermischen Interface-Materials (TIM) optisch mit Hilfe einer Kamera online zu überwachen, und die Messung unter reproduzierbaren Kippwinkeln durchzuführen, um den Einfluss von verschiedenen Kippwinkeln zwischen der mechanischen Belastung und dem thermischen Interface-Material (TIM) auf die thermischen Eigenschaften des thermischen Interface-Materials (TIM) zu bestimmen.
  • Das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM), von welchem eine Probe mit einer vorgegebenen Schichtdicke zwischen einem Thermotestchip und einem Metallgrundkörper angeordnet und mechanisch belastet wird, ermittelt für jeden Belastungszustand einen thermischen Widerstand des thermischen Interface-Materials, wobei zur Ermittlung des thermischen Widerstands in einer Messanordnung mindestens eine aktuelle Temperatur vor und mindestens eine aktuelle Temperatur nach der thermischen Interface-Material-Probe und eine aktuell wirkende Kraft gemessen werden. Erfindungsgemäß wird die thermische Interface-Material-Probe (TIM-Probe) zyklisch mechanisch belastet, um eine aktuelle Schichtdicke der TIM-Probe zu verändern, wobei die resultierende Schichtdicke der TIM-Probe gemessen und zur Ermittlung des thermischen Widerstands und des Alterungsverhaltens des Thermischen Interface Materials ausgewertet wird. Die mechanische Belastung stellt den Haupteinfluss auf die Alterung der thermischen Eigenschaften des thermischen Interface-Materials (TIM) dar.
  • Die erfindungsgemäße Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials, von welchem eine Probe mit einer vorgegebenen Schichtdicke zwischen einem Thermotestchip und einem Metallgrundkörper angeordnet und mechanisch belastet ist, ermittelt für jeden Belastungszustand einen thermischen Widerstand des thermischen Interface Materials (TIM) und umfasst mindestens einen Temperatursensor zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur vor und mindestens einen Temperatursensor zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur nach der TIM-Probe und eine Kraftmesseinrichtung zur Messung einer aktuell wirkenden Kraft. Die ermittelten aktuellen Temperaturen und die ermittelte aktuelle Kraft sind zur Ermittlung des thermischen Widerstands auswertbar. Erfindungsgemäß ist die thermische Interface-Material-Probe zyklisch mechanisch belastet, um eine aktuelle Schichtdicke der TIM-Probe zu verändern, wobei eine Längenmesseinrichtung, vorgesehen ist, welche die resultierende Schichtdicke der TIM-Probe misst und zur Ermittlung des thermischen Widerstands und des Alterungsverhaltens des thermischen Interface-Materials (TIM) zur Verfügung stellt.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Verfahrens zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM), und der im unabhängigen Patentanspruch 7 angegebenen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die aktuell wirkende Kraft auf die TIM-Probe als aktuelle Druck- und/oder Zugkraft gemessen wird. Die Kraftmessung kann auf besonders einfache Weise mit einer als Kraftmessdose ausgeführten Kraftmesseinrichtung durchgeführt werden.
  • In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird eine Verlustleistung zur Erzeugung eines auswertbaren Wärmeflusses durch die TIM-Probe im Thermotestchip erzeugt. Im thermischen Wärmefluss kann die mindestens eine aktuelle Temperatur vor der TIM-Probe im Thermotestchip und die mindestens eine aktuelle Temperatur im Wärmefluss nach der TIM-Probe beispielsweise an drei verteilten Positionen im Metallgrundkörper gemessen werden. Aus den im Metallgrundkörper an verschiedenen Positionen gemessenen Temperaturen kann dann der Wärmefluss durch die TIM-Probe abgeschätzt werden. Aus der Differenz der Temperaturen direkt vor und direkt nach der TIM-Probe und dem geschätzten Wärmefluss kann dann in vorteilhafter Weise der thermische Widerstand des thermischen Interface-Materials (TIM) bestimmt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung kann für die zyklische mechanische Belastung die Dicke der TIM-Probe stufenweise mit einer Auflösung von ungefähr 1 μm eingestellt werden. Die zyklische mechanische Belastung der TIM-Probe kann auf einfache Art über einen Schrittmotor eingestellt werden.
  • In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung, der vorliegenden Erfindung kann die mechanische Belastung der TIM-Probe unter einem einstellbaren Kippwinkel auf die TIM-Probe wirken. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine Untersuchung des Einflusses des Kippwinkels auf das thermische Interface-Material (TIM). Zur Vorgabe eines Kippwinkels bzw. zur Ermittlung eines aktuelle Kippwinkels können zur Winkelmessung eine beispielsweise als Goniometer ausgeführte Winkelmesseinrichtung und zur Ermittlung der Parallelität mindestens ein Neigungssensor vorgesehen werden.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Perspektivdarstellung einer Messvorrichtung mit einem Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) und zur Durchführung eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM).
  • 2 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Teils der Messvorrichtung aus 1.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Zustands eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) für die Messvorrichtung aus 1 und 2.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Zustands des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) aus 3 für die Messvorrichtung aus 1 und 2.
  • 5 zeigt eine thermische Ersatzschaltung des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) aus 3 und 4.
  • 6 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) mit verschiedenen Temperatursensoren für die Messvorrichtung aus 1 und 2.
  • 7 zeigt ein Temperatur/Positionsdiagramm zur Ermittlung des Wärmeflusses Q in der Messanordnung aus 1 bis 6 und des thermischen Widerstands RTIM des thermischen Interface-Materials (TIM).
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel einer Messvorrichtung 1 ein Metallgestell 3, in welchem ein Schrittmotor 5, eine erste Trägerplatte 7, eine Grundplatte 9, eine Winkelmesseinrichtung 10, eine Kraftmesseinrichtung 12, mindestens einen Neigungssensor 14, eine Wärmesenke 16, eine zweite Trägerplatte 18 und eine Messanordnung 20 mit einem Metallgrundkörper 22 und einem Thermotestchip 24. Wie insbesondere aus 1 weiter ersichtlich ist, ist der Schrittmotor 5 an einer höhenverstellbaren Halterung angeordnet. Die Winkelmesseinrichtung 10 ist beispielsweise als Zweiwinkel-Goniometer mit einer Auflösung von ungefähr 30 arcsec ausgeführt und mit der höhenverstellbaren ersten Trägerplatte 7 verbunden. Die Wärmesenke 16 ist beispielsweise als Wasserkühler ausgeführt und auf einer Grundplatte 18 angeordnet, wobei der Metallgrundkörper 22 auf der Wärmsenke 16 angeordnet ist. Die Kraftmesseinrichtung 12 ist zur Ermittlung von Druck- und Zugkräften vorzugsweise als Kraftmessdose ausgeführt und mit dem mindestens einen Neigungssensor 14 unterhalb der Winkelmesseinrichtung 10 auf der Oberseite der zweiten Trägerplatte 18 angeordnet. An der Unterseite der zweiten Trägerplatte 18 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Messanordnung 20 zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) angeordnet.
  • Wie aus 3 und 4 ersichtlich ist, ist eine thermische Interface-Material-Probe (TIM-Probe) 26 mit einer vorgegebenen Schichtdicke D1, D2 zwischen dem Thermotestchip (TTC) 24 und dem Metallgrundkörper 22 angeordnet und mechanisch mit einer Kraft F belastet. Wie aus 3 weiter ersichtlich ist, handelt es sich bei dem dargestellten Belastungszustand um eine Zugkraft F, welche auf die TIM-Probe 26 wirkt und eine erste Schichtdicke D1 zur Folge hat. Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, handelt es sich bei dem dargestellten Belastungszustand um eine Druckkraft F, welche auf die TIM-Probe 26 wirkt und eine zweite Schichtdicke D2 zur Folge hat, welche dünner als die erste Schichtdicke D1 ist. Das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) 26 ermittelt für jeden Belastungszustand einen thermischen Widerstand RTIM des thermischen Interface Materials (TIM) 26, wobei mindestens ein Temperatursensor 24.1 zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur TC vor und mindestens ein Temperatursensor 22.1, 22.2, 22.3 zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur T1, T2, T3 nach der TIM-Probe 26 vorgesehen sind. Die ermittelten aktuellen Temperaturen TC, T1, T2, T3 und die ermittelte aktuelle Kraft F werden dann zur Ermittlung des thermischen Widerstands RTIM ausgewertet.
  • Erfindungsgemäß ist die thermische Interface-Material-Probe 26 zyklisch mechanisch belastet, um die aktuelle Schichtdicke D1, D2 der TIM-Probe 26 zu verändern. Zudem ist eine Längenmesseinrichtung 28 vorgesehen, welche die resultierende Schichtdicke D1, D2 der TIM-Probe 26 misst und zur Ermittlung des thermischen Widerstands RTIM und des Alterungsverhaltens der TIM-Probe 26 zur Verfügung stellt. Die mechanische Belastung stellt den Haupteinfluss auf die Alterung der thermischen Eigenschaften des thermischen Interface-Materials (TIM) dar. Die zyklische mechanische Belastung F der TIM-Probe 26 wird vorzugsweise über den Schrittmotor 5 eingestellt, welcher die aktuelle Schichtdichte D1, D2 des thermischen Interface-Materials (TIM) 26 stufenweise mit einer Auflösung von ungefähr 1 μm einstellen kann.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafte Weise, dass die mechanische Belastung F der TIM-Probe 26 unter einem einstellbaren Kippwinkel auf die TIM-Probe 26 wirkt. Der Kippwinkel zwischen der mechanischen Belastung F und der TIM-Probe 26 kann unter Verwendung der Winkelmesseinrichtung 10 und des mindestens einen Neigungssensors 14 vorgegeben werden.
  • Bezugnehmend auf 5 bis 7 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung, eines thermischen Interface-Materials (TIM) beschrieben. Hierbei zeigt 5 eine thermische Ersatzschaltung der dargestellten erfindungsgemäßen Messanordnung 20 zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM). 6 zeigt die erfindungsgemäße Messanordnung 20 zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) mit verschiedenen Temperatursensoren 24.1, 22.1, 22.2, 22.3, und 7 zeigt ein Temperatur/Positionsdiagramm zur Ermittlung des Wärmeflusses Q in der Messanordnung 20 und des thermischen Widerstands RTIM des thermischen Interface-Materials (TIM).
  • Wie aus 5 ersichtlich ist, erzeugt eine Verlustleistung (P = U·I), welche im Thermotestchip (TTC) 24 erzeugt wird, den Wärmefluss Q durch die Messanordnung 20, wobei RSi den thermischen Widerstand des Siliziummaterials des Thermotestchips (TTC) 24, RTIM den thermischen Widerstand des thermischen Interface-Materials (TIM) und RAI den thermischen Widerstands des Metallgrundkörpers 22 repräsentiert, welcher im dargestellten Ausführungsbeispiel aus Aluminium hergestellt ist. Selbstverständlich kann der Metallgrundkörper 22 auch aus einem anderen geeigneten Material, wie beispielsweise Kupfer hergestellt werden.
  • Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) ordnen eine Probe 26 des thermischen Interface-Materials (TIM) mit einer vorgegebenen Schichtdicke zwischen dem Thermotestchip (TTC) 24 und dem Metallgrundkörper 22 an. Die Messanordnung wird mechanisch belastet, wobei für jeden Belastungszustand der thermische Widerstand RTIM des TIMs 26 ermittelt wird und zur Ermittlung, des thermischen Widerstands RTIM in einer Messanordnung 20 mindestens eine aktuelle Temperatur TC vor und mindestens eine aktuelle Temperatur T1, T2, T3 nach der TIM-Probe 26 und eine aktuell wirkende Kraft F gemessen werden. Erfindungsgemäß wird die thermische Interface-Material-Probe 26 zyklisch mechanisch belastet, um eine aktuelle Schichtdicke der TIM-Probe 26 zu verändern, wobei die resultierende Schichtdicke der TIM-Probe 26 gemessen und zur Ermittlung des thermischen Widerstands RTIM und des Alterungsverhaltens des thermischen Interface-Materials (TIM) 26 ausgewertet wird.
  • Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, wird eine erste aktuelle Temperatur TC im Wärmefluss Q im Thermotestchip (TTC) 24 der Messanordnung 20 vor der TIM-Probe 24 gemessen. Im Wärmefluss Q nach der TIM-Probe 24 wird an drei verschiedenen Stellen im Metallblock 22 jeweils die aktuelle Temperatur T1, T2, T3 gemessen.
  • Wie aus dem Temperatur/Positionsdiagramm gemäß 7 ersichtlich ist, wird der Wärmefluss Q(Q ~ δT/δa) durch die Messanordnung 20 aus der Steigung der Temperaturkennlinie abgeschätzt, welche sich im Metallgrundkörper 22 einstellt. Der thermischen Widerstands RTIM des thermischen Interface-Materials (TIM) wird dann aus der Differenz der vor der TIM-Probe 24 im Thermotestchip (TTC) 24 gemessenen Temperatur TC und der direkt nach der TIM-Probe 24 im Metallgrundkörper 22 gemessenen Temperatur T1 und dem geschätzten Wärmefluss gemäß der Gleichung RTIM = ΔT/Q bestimmt.
  • Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafter Weise die Charakterisierung des Alterungsverhaltens von thermischen Interface-Materialien (TIM) und deren Grenzflachen unter zyklischer mechanischer Belastung F und eine Untersuchung der Änderung der Bulkleitfähigkeit und des thermischen Grenzflächenwiderstands in Abhängigkeit der zyklischen Schichtdickenänderung des Verbundes aus thermischen Interface-Material (TIM) und der thermischen Koppelflächen. Hierbei stellt die mechanische Belastung den Haupteinfluss auf die Alterung der thermischen Eigenschaften des thermischen Interface-Materials (TIM) dar.
  • Vereinfacht ausgedrückt, wird das thermische Interface-Material (TIM) 26 zwischen einem Thermotestchip 24 und einem Metallblock 2 charakterisiert. Die benötigte Verlustleistung wird im Thermotestchip (TTC) 24 erzeugt. Mit Hilfe der im TTC 24 integrierten Dioden wird dann die Temperatur oberhalb des thermischen Interface-Materials (TIM) 16 gemessen. Der Metallblock 22 ist auf einem Wasserkühler 16 befestigt. In dem Block 22 befinden sich drei Temperatursensoren 22.1, 22.2, 22.3, welche zur Bestimmung des durch das thermische Interface-Material (TIM) fließenden Wärmestroms Q, sowie zur Temperaturmessung unterhalb des thermischen Interface-Materials (TIM) 26 eingesetzt werden. Für die zyklische mechanische Belastung F wird mittels eines gesteuerten Schrittmotors 5 die TIM-Dicke mit einer Auflösung von ungefähr 1 μm eingestellt. Um den Thermotestchip 24 und den Metallblock 26 zueinander parallel zu justieren, ist ein Zweiwinkel-Goniometer 10 mit einer Auflösung von 30 arcsec vorgesehen. Die Parallelität wird von zwei Neigungssensoren 14 gemessen. Durch das Goniometer 10 und die Neigungssensoren 14 ist es möglich, Messungen unter bestimmten Kippwinkeln durchzuführen, um deren Einfluss auf das thermische Interface-Material (TIM) zu untersuchen. Integrierte Distanzmesser 28 und Kraftmessdose 12 sorgen dafür, dass die Dicke des thermischen Interface-Materials (TIM) 26 und die ausgeübte Kraft F in Echtzeit gemessen und ausgewertet werden können. Die Schichtdicke des thermischen Interface-Materials (TIM) wird beispielsweise mit Hilfe eines Abstandtasters LVDT (Linear Variable Differential Transformer) gemessen. Hierbei kann eine Nullstelle während des Kontakts zwischen Thermotestchip (TTC) 24 und Grundkörper 22 definiert werden. Alle Funktionen der Messvorrichtung 1 können über eine nicht dargestellte Rechneranordnung Software gesteuert sein, so können beispielsweise vorgegebene thermische und/oder mechanische zyklische Belastungsprofile automatisch durchgeführt und abgerufen werden. Hierbei wird der effektive thermische Widerstand nach jedem Belastungsschritt ermittelt.
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
  • Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
  • Zitierte Nicht-Patentliteratur
    • ASTM E 1225-99 [0002]
    • ASTM E1461-01 [0002]
    • ASTM E 1530-99 [0002]
    • DIN V 54462 [0002]
    • ASTM D-5470 [0003]
    • „CHARACTERIZATION OF THERMAL INTERFACE MATERIALS TO SUPPORT THERMAL SIMULATION” von Ralph Schacht et al. aus TIMA Editions/THERMINIC 2006, Nice, 27–29 September 2006 [0006]

Claims (10)

  1. Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM), von welchem eine Probe (26) mit einer vorgegebenen Schichtdicke (D1, D2) zwischen einem Thermotestchip (24) und einem Metallgrundkörper (22) angeordnet und mechanisch belastet wird, wobei für jeden Belastungszustand ein thermischer Widerstand (RTIM) des thermischen Interface-Materials (26) ermittelt wird, wobei zur Ermittlung des thermischen Widerstands (RTIM) in einer Messanordnung (20) mindestens eine aktuelle Temperatur (TC) vor und mindestens eine aktuelle Temperatur (T1, T2, T3) nach der thermischen Interface-Material-Probe (26) und eine aktuell wirkende Kraft (F) gemessen werden, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Interface-Material-Probe (26) zyklisch mechanisch belastet wird, um eine aktuelle Schichtdicke (D1, D2) der thermischen Interface-Material-Probe (26) zu verändern, wobei die resultierende Schichtdicke (D1, D2) der thermischen Interface-Material-Probe (26) gemessen und zur Ermittlung des thermischen Widerstands (RTIM) und des Alterungsverhaltens des thermischen Interface Materials (26) ausgewertet wird.
  2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuell wirkende Kraft (F) auf die TIM-Probe (26) als aktuelle Druck- und/oder Zugkraft gemessen wird.
  3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verlustleistung zur Erzeugung eines auswertbaren Wärmeflusses (Q) durch die TIM-Probe (26) im Thermotestchip (24) erzeugt wird.
  4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mindestens eine aktuelle Temperatur (TC) im thermischen Wärmefluss (Q) vor der TIM-Probe (26) im Thermotestchip (24) und die mindestens eine aktuelle Temperatur (T1, T2, T3) im Wärmefluss (Q) nach der TIM-Probe (26) an drei verteilten Positionen im Metallgrundkörper (22) gemessen werden.
  5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für die zyklische mechanische Belastung (7) die Dicke (D1, D2) der TIM-Probe (26) stufenweise mit einer Auflösung von ungefähr 1 μm eingestellt wird.
  6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die mechanische Belastung der TIM-Probe (26) unter einem einstellbaren Kippwinkel auf die TIM-Probe (26) wirkt.
  7. Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIMs), insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei eine thermische Interface-Material-Probe (26) mit einer vorgegebenen Schichtdicke (D1, D2) zwischen einem Thermotestchip (24) und einem Metallgrundkörper (22) angeordnet und mechanisch belastet ist, wobei für jeden Belastungszustand ein thermischer Widerstand (RTIM) des thermischen Interface-Materials (26) ermittelbar ist, wobei mindestens ein Temperatursensor (24.1) zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur (TC) vor und mindestens ein Temperatursensor (22.1, 22.2, 22.3) zur Ermittlung einer aktuellen Temperatur (T1, T2, T3) nach der thermischen Interface-Material-Probe (26) und eine Kraftmesseinrichtung (12) zur Messung einer aktuell wirkenden Kraft (F) vorgesehen sind, und wobei die ermittelten aktuellen Temperaturen (TC, T1, T2, T3) und die ermittelte aktuelle Kraft (F) zur Ermittlung des thermischen Widerstands (RTIM) auswertbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass die thermische Interface-Material-Probe (26) zyklisch. mechanisch belastet ist, um eine aktuelle Schichtdicke (D1, D2) der thermischen Interface-Material-Probe (26) zu verändern, wobei eine Längenmesseinrichtung (28) vorgesehen ist, welche die resultierende Schichtdicke (D1, D2) der thermischen Interface-Material-Probe (26) misst und zur Ermittlung des thermischen Widerstands (RTIM) und des Alterungsverhaltens des thermischen Interface-Materials (26) zur Verfügung stellt.
  8. Messanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kraftmesseinrichtung (12) als Kraftmessdose ausgeführt ist, um die aktuell auf die TIM-Probe (26) wirkenden Kraft (F) als Druck- und/oder Zugkraft zu messen.
  9. Messanordnung nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die zyklische mechanische Belastung (7) der TIM-Probe (26) über einen Schrittmotor (5) stufenweise einstellbar ist.
  10. Messanordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass zur Winkelmessung eine Winkelmesseinrichtung (10) und mindestens ein Neigungssensor (14) so vorgesehen sind, dass die mechanische Belastung (7) unter einem vorgegebenen Kippwinkel auf die TIM-Probe (26) wirkt.
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