DE10320186A1 - Heat conducting paste used in the production of power semiconductor modules comprises a base material and a filler - Google Patents

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Abstract

Heat conducting paste (20) comprises a base material (22) and a filler (24, 26). The base material has a dynamic viscosity of 25-500 mPa.s and the filler contains metal particles having a particle size of less than 20 Micro. The heat conducting paste has a degree of filling of 20-70 %. An independent claim is also included for a process for applying and protecting a heat conducting paste comprising applying the paste to a surface in a screen printing process, and covering with a plastic molded part so that 8 % of the heat conducting paste is in contact with the plastic molded part.

Description

Die Erfindung beschreibt eine Wärmeleitpaste zum Auftrag auf ein zu kühlendes Bauteil um eine Wärme leitende Verbindung zwischen diesem und einem Kühlbauteil herzustellen.The Invention describes a thermal paste to order on a to be cooled Component around a heat To establish a conductive connection between this and a cooling component.

Beispielhaft werden derartige Wärmeleitpasten auf dem Gebiet der Leistungselektronik eingesetzt um bekannte Leistungshalbleitermodule thermisch leitend mit einem Kühlkörper zu verbinden. Der Wirkungsgrad einer derartigen thermisch leitenden Verbindung wird bestimmt durch die Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste und durch deren Schichtdicke. Bekannt sind Schichtdicken bei den genannten Anwendungen von mehr als 100 μm. Eine Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit und/oder eine Reduzierung der Schichtdicke führen zu einer verbesserten Wärmeabfuhr aus dem Leistungshalbleitermodul und damit direkt zu einer Verbesserung der Leistungsfähigkeit.exemplary are such thermal pastes used in the field of power electronics around known power semiconductor modules thermally conductive with a heat sink connect. The efficiency of such a thermally conductive Connection is determined by the thermal conductivity of the thermal paste and by their layer thickness. Layer thicknesses are known for the mentioned applications of more than 100 μm. An increase in thermal conductivity and / or a reduction of the layer thickness for improved heat dissipation from the power semiconductor module and thus directly to an improvement performance.

Eine bekannte und beispielhaft auf dem Gebiet der Leistungselektronik vielfach eingesetzte Wärmeleitpaste ist die Silikonpaste Wacker® P12. Diese weist eine Wärmeleitfähigkeit von ca. 0,8 W·K–1·m–1 sowie einen spezifischen Widerstand von 1013 Ω·m auf. Diese sowie vergleichbare Wärmeleitpasten bilden den Ausgangspunkt dieser Erfindung.A well-known and widely used thermal paste, for example in the field of power electronics, is the silicone paste Wacker ® P12. This has a thermal conductivity of approx. 0.8 W · K –1 · m –1 and a specific resistance of 10 13 Ω · m. These and comparable thermal pastes form the starting point of this invention.

Nachteilig in der Verwendung von Wärmeleitpasten ist, dass diese durch ihre pastöse Konsistenz nach dem Auftrag auf einem Bauelemente empfindlich gegen Verunreinigungen und in noch stärkerem Maße gegen äußere Einflüsse, speziell auf die Schichtdicke oder deren Homogenität, sind.adversely in the use of thermal pastes is that this is due to its pasty Consistency after application to a component sensitive to Impurities and in even stronger Dimensions against external influences, especially on the layer thickness or its homogeneity.

Beispielhaft offenbart die EP 1 286 394 A2 ein die genannten Nachteile vermeidendes thermisch leitendes Kissen basierend auf einem Silikonkautschuk. Nachteil hierbei ist allerdings, dass ein derartiges Kissenelement nicht ausreichend flexibel ist um den Raum zwischen dem zu kühlenden Bauteil und dem Kühlbauteil vollständig auszufüllen. Ein nicht vollständiges Ausfüllen geht mit Lufteinschlüssen und damit mit Bereichen geringeren Wärmeübertrags einher.The EP 1 286 394 A2 a thermally conductive cushion based on a silicone rubber that avoids the disadvantages mentioned. However, the disadvantage here is that such a cushion element is not sufficiently flexible to completely fill the space between the component to be cooled and the cooling component. Incomplete filling is accompanied by air pockets and thus areas with less heat transfer.

Der vorliegenden Erfindung liegt die erste Aufgabe zu Grunde eine Wärmeleitpaste vorzustellen, die eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 2 W·K–1·m–1 aufweist und in Schichtdicken von weniger als 80 μm auftragbar ist, sowie die zweite Aufgabe eine Wärmeleitpaste derart auf ein zu kühlendes Bauteil aufzubringen, dass der Auftrag homogen ist, nur eine minimal nötige Schichtdicke aufweist und diesen Auftrag bis zur Montage des Bauteils auf einem Kühlkörper gegen äußere Einwirkungen geschützt ist.The present invention is based on the first object of presenting a thermal paste which has a thermal conductivity of more than 2 W · K −1 · m −1 and can be applied in layer thicknesses of less than 80 μm, and the second object of a thermal paste in this way to apply the component to be cooled so that the application is homogeneous, has only a minimal layer thickness and this application is protected against external influences until the component is mounted on a heat sink.

Diese Aufgaben werden gelöst durch eine Wärmeleitpaste nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren nach Anspruch 2, spezielle Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.This Tasks are solved through a thermal paste according to claim 1 and a method according to claim 2, special Refinements can be found in the subclaims.

Der Grundgedanke der Erfindung geht aus von bekannten elektrisch isolierenden Wärmeleitpasten mit einem Wärmewiderstand von ca. 1 W·K–1·m–1. Ein Erhöhung dieses Wärmewiderstandes wird erreicht, indem mindestens einer der Füllstoffe ein hohe Wärmeleitfähigkeit aufweist. Hierfür sind vornehmlich metallische Werkstoffe geeignet. Mit dem Einsatz metallischer Füllstoffe geht einerseits eine Erniedrigung des Wärmewiderstands und andererseits eine Erniedrigung des spezifischen Widerstandes einher. Die Größe der einzelnen Partikel dieses Füllstoffes wird kleiner als 20 μm gewählt, wodurch eine Schichtdicke einer aufgetragenen Schicht von weniger als 80 μm erzielbar ist. Vorteilhafterweise liegt der Füllstoff in Plättchenform vor, womit Schichtdicken bis zu 10 μm erreichbar sind.The basic idea of the invention is based on known electrically insulating heat-conducting pastes with a thermal resistance of approximately 1 W · K −1 · m −1 . This thermal resistance is increased by at least one of the fillers having a high thermal conductivity. Metallic materials are primarily suitable for this. The use of metallic fillers goes hand in hand with a reduction in thermal resistance and a reduction in specific resistance. The size of the individual particles of this filler is chosen to be less than 20 μm, whereby a layer thickness of an applied layer of less than 80 μm can be achieved. The filler is advantageously in platelet form, with which layer thicknesses of up to 10 μm can be achieved.

Zum homogenen Auftrag einer Wärmeleitpaste auf beliebigen im wesentlichen planen Oberflächen mit Schichtdicken zwischen 10 und 80 μm ist das bekannte Siebdruckverfahren geeignet. Um diese Schichten anschließend, beispielhaft während des Transports gegen Verunreinigung und andere äußere Einwirkungen auf die Schichtdicke oder deren Homogenität, zu schützen ist die Wärmeleitpaste mit einem Kunststoffformteil überdeckt. Dieses Kunststoffformteil wird derart auf dem mit Wärmeleitpaste versehenen Bauteil angeordnet, dass nur maximal 8% der Oberfläche der Wärmeleitpaste mit diesem Kunststoffformteil in Kontakt sind. Der übrige Teil der Oberfläche wird durch das Kunststoffformteil überdeckt aber nicht berührt.To the homogeneous application of a thermal paste on any essentially flat surfaces with layer thicknesses between 10 and 80 μm the known screen printing process is suitable. To these layers subsequently, exemplary during of transport against contamination and other external influences on the layer thickness or their homogeneity, to protect is the thermal paste covered with a molded plastic part. This molded plastic part is so on the with thermal paste provided component that only a maximum of 8% of the surface of the Thermal Compounds are in contact with this molded plastic part. The rest of it the surface is covered by the molded plastic part but not touched.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den 1 bis 3 näher erläutert.The invention is based on exemplary embodiments in connection with the 1 to 3 explained in more detail.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmeleitpaste in einer Anwendung der Leistungselektronik. 1 shows a thermal paste according to the invention in an application of power electronics.

2 zeigt eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachte und geschützte Wärmeleitpastenschicht in Seitenansicht. 2 shows a side view of a thermal paste layer applied and protected by means of the method according to the invention.

3 zeigt eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachte und geschützte Wärmeleitpastenschicht in Draufsicht. 3 shows a top view of a thermal paste layer applied and protected by means of the method according to the invention.

1 zeigt eine erfindungsgemäße Wärmeleitpaste (20) in einer Anwendung der Leistungselektronik. Dargestellt ist ein Leistungshalbleitermodul (10), bestehend aus einem Kunststoffgehäuse (12) und einem Keramiksubstrat (14), welches an seiner einem Kühlkörper (30) zugewandten Seite eine Kupferkaschierung (16) aufweist. Zwischen der Kupferkaschierung (16) und dem Aluminiumkühlkörper (30) ist die Wärmeleitpaste (20) angeordnet. Die folgenden Ausführungen gelten selbstverständliche auch für Leistungshalbleitermodule mit einer Grundplatte, beispielhaft aus Kupfer. 1 shows a thermal paste according to the invention ( 20 ) in an application of power electronics. A power semiconductor module is shown ( 10 ), consisting of a plastic housing ( 12 ) and a ceramic substrate ( 14 ), which has a heat sink ( 30 ) facing copper cladding ( 16 ) having. Between the copper cladding ( 16 ) and the aluminum heat sink ( 30 ) is the thermal paste ( 20 ) arranged. The following explanations naturally also apply to power semiconductor modules with a base plate, for example made of copper.

Die erfindungsgemäße Wärmeleitpaste (20) besteht aus einem Silikonöl (Dimethylpolysiloxan) als Basisstoff (22) in welches zwei Füllstoffe (24, 26) eingebettet sind. Als besonders vorteilhaft hat sich hierfür die Kombination von Graphit (26) und Silber (24) erwiesen. Silber weist aufgrund seines metallischen Charakters eine hohe Wärmeleitfähigkeit auf. Graphit weist eine geringere Wärmeleitfähigkeit auf. Demgegenüber steht der Vorteil von Graphit (26) eine gewisse Schmierfähigkeit aufzuweisen. Diese Schmierfähigkeit ist vorteilhaft bezüglich des Reibungsverhaltens zwischen der Kupferkaschierung (16) des Keramiksubstrates (14) und dem Kühlkörper, die einen unterschiedliche thermischen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen. Diese Reibung entsteht im Betrieb des Leistungshalbleitermoduls (10), der durch dynamische Temperaturwechsel charakterisiert ist. Weiterhin bindet Graphit (26) den Basisstoff (22) und verhindert somit ein Austrocknen der Wärmeleitschicht (30).The thermal paste according to the invention ( 20 ) consists of a silicone oil (dimethylpolysiloxane) as the base material ( 22 ) in which two fillers ( 24 . 26 ) are embedded. The combination of graphite ( 26 ) and silver ( 24 ) proved. Silver has a high thermal conductivity due to its metallic character. Graphite has a lower thermal conductivity. This is offset by the advantage of graphite ( 26 ) have a certain lubricity. This lubricity is advantageous with regard to the friction behavior between the copper cladding ( 16 ) of the ceramic substrate ( 14 ) and the heat sink, which have a different coefficient of thermal expansion. This friction arises during the operation of the power semiconductor module ( 10 ), which is characterized by dynamic temperature changes. Graphite also binds ( 26 ) the basic fabric ( 22 ) and thus prevents the heat conducting layer from drying out ( 30 ).

Beide Füllstoffe (24, 26) liegen in einer Plättchenform vor um bei einer maximalen Ausdehnung von 10 μm eine Schichtdicke von 25 μm oder geringer zu gestatten. Die charakterisierenden Daten der erfindungsgemäßen Wärmeleitpaste (20) sind aus folgender Tabelle zu entnehmen:

Figure 00040001
Both fillers ( 24 . 26 ) are in a platelet shape to allow a layer thickness of 25 μm or less with a maximum extension of 10 μm. The characterizing data of the thermal paste according to the invention ( 20 ) can be seen from the following table:
Figure 00040001

Unter dem Füllgrad wird das Volumenverhältnis zwischen Füllstoff (24, 26) und dem Gesamtvolumen der Wärmeleitpaste (20) verstanden. Alternativ zum Füllstoff Dimethylpolysiloxan kann auch ein perfluoriertes Polyetheröl oder ein anderer Werkstoff mit einer Viskosität innerhalb der genannten Grenzen verwendet werden. Ebenso ist eine Mischung aus Dimethylpolysiloxan und perfluoriertem Polyetheröl in einem Volumenverhältnis von 40 : 60 bis 60 : 40 einsetzbar.The volume ratio between filler ( 24 . 26 ) and the total volume of the thermal paste ( 20 ) Roger that. As an alternative to the filler dimethylpolysiloxane, a perfluorinated polyether oil or another material with a viscosity within the stated limits can also be used. A mixture of dimethylpolysiloxane and perfluorinated polyether oil in a volume ratio of 40:60 to 60:40 can also be used.

Die Wärmeleitpaste (20) mit o.g. Idealwerten der charakterisierenden Daten weist eine Wärmeleitfähigkeit von 3,4 W·K–1·m–1 auf. Vorteilhaft an dieser Ausgestaltung der erfinderischen Wärmeleitpaste ist, dass sie Unebenheiten der beiden thermisch zu verbindenden Körper (16, 30) ausgleicht und somit den Wärmetransport behindernde Lufteinschlüsse vermieden werden. Weiterhin vorteilhaft ist, dass hiermit Schichtdicken der Wärmeleitpaste zwischen 10 und 80 μm herstellbar sind. Die Verwendung elektrisch leitender Füllstoffe ist nicht nachteilig, da eine elektrisch leitfähige Verbindung der Kupferkaschierung (16) mit dem Aluminiumkühlkörper (30) die Funktion des Leistungshalbleitermoduls (10) nicht beeinträchtigt.The thermal paste ( 20 ) with the above ideal values of the characterizing data has a thermal conductivity of 3.4 W · K –1 · m –1 . An advantage of this embodiment of the inventive thermal paste is that it unevenness of the two bodies to be thermally connected ( 16 . 30 ) compensates and thus avoids air pockets that hinder heat transport. It is also advantageous that layer thicknesses of the thermal paste between 10 and 80 μm can be produced. The use of electrically conductive fillers is not disadvantageous because an electrically conductive connection of the copper cladding ( 16 ) with the aluminum heat sink ( 30 ) the function of the power semiconductor module ( 10 ) not affected.

2 zeigt ein mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachte und geschützte Wärmeleitpastenschicht in Seitenansicht. Dargestellt ist wiederum ein Leistungshalbleitermodul (10) mit einer Wärmeleitpaste (20) auf der Kupferkaschierung (16) eines Keramiksubstrates (14). Die Wärmeleitpaste wird hierzu mittels eines Siebdruckverfahrens auf die Kupferkaschierung (16) aufgebracht. Die Wärmeleitpaste (20) ist auf ihrer dem Leistungshalbleitermodul (10) abgewandten Seite mittels eines aus einen Tiefziehfolie hergestellten Kunststoffformteils (40) überdeckt. Die Tiefziehfolie ist in wesentlichen Abschnitten von der Wärmeleitpaste beabstandet um die Schicht zu schützen und nicht zu beschädigen. Zur mechanischen Stabilisierung weist die Tiefziehfolie (40) Ausformungen (44) auf. Weiterhin weist sie Noppen (42) auf, die auf der Wärmeleitpastenschicht aufliegen und diese teilweise durchdringen, wobei hierbei nur 3%, maximal 8% der Oberfläche der Wärmeleitpaste (20) in Kontakt mit der Tiefziehfolie (40) sind. Durch die Ausformungen (44) und die Noppen (42) wird die Wärmeleitpastenschicht (20) gegen mechanische Einwirkung geschützt und ihre Homogenität nicht wesentlich gestört. Somit ist beispielsweise ein Transport des Leistungshalbleitermoduls mit vorher aufgebrachter Wärmeleitpastenschicht (20) möglich. 2 shows a side view of a thermal paste layer applied and protected by means of the method according to the invention. A power semiconductor module is again shown ( 10 ) with a thermal paste ( 20 ) on the copper cladding ( 16 ) of a ceramic substrate ( 14 ). The thermal paste is applied to the copper lamination using a screen printing process ( 16 ) applied. The thermal paste ( 20 ) is on the power semiconductor module ( 10 ) opposite side by means of a molded plastic part made from a thermoformed film ( 40 ) covered. The thermoformed film is spaced in substantial sections from the thermal paste in order to protect the layer and not to damage it. The thermoformed film ( 40 ) Formations ( 44 ) on. Furthermore, it has pimples ( 42 ) that lie on the thermal paste layer and partially penetrate it, whereby only 3%, maximum 8% of the surface of the thermal paste ( 20 ) in contact with the thermoforming film ( 40 ) are. Due to the formations ( 44 ) and the knobs ( 42 ) the thermal paste layer ( 20 ) protected against mechanical influences and their homogeneity not significantly disturbed. Thus, for example, transport of the power semiconductor module with a previously applied thermal paste layer ( 20 ) possible.

3 zeigt eine mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens aufgebrachte und geschützte Wärmeleitpastenschicht in Draufsicht. Dargestellt ist eine Wärmeleitpastenschicht (20) sowie ein diese Schicht gemäß Beschreibung zu 2 überdeckende Tiefziehfolie (40). Diese weist hexagonale Ausformungen (42) zur mechanischen Stabilisierung auf. Zentral in Flächenabschnitten zwischen den hexagonalen Ausformungen (42) sind Noppen (44) angeordnet. Die Tiefziehfolie ist ausschließlich mittels dieser Noppen (44) in Kontakt mit der Wärmeleitpaste (20). Somit schützt die Tiefziehfolie (40) die Wärmeleitpastenschicht (20) wirksam gegen äußere, vor allem mechanische, Einflüsse. 3 shows a top view of a thermal paste layer applied and protected by means of the method according to the invention. A thermal paste layer is shown ( 20 ) and this layer as described 2 covering thermoforming film ( 40 ). This has hexagonal shapes ( 42 ) for mechanical stabilization. Central in surface sections between the hexagonal shapes ( 42 ) are pimples ( 44 ) arranged. The thermoforming film can only be used with these knobs ( 44 ) in contact with the thermal paste ( 20 ). This protects the thermoforming film ( 40 ) the thermal paste layer ( 20 ) effective against external, especially mechanical, influences.

Eine vorteilhafte Alternative zur genannten Ausgestaltung des Kunststoffformteils ist eine Ausgestaltung als einseitig offene Gitterstrukturfolie. Derartige Gitterstrukturfolien bestehen aus einen Folienschicht von wenigen 10 μm Dicke und einer darauf aufgebrachten beispielhaft wabenartig ausgestalteten Gitterstruktur mit einer Höhe von mehr als 100 μm. Zum Schutz der Wärmeleitpastenschicht wird diese Gitterstrukturfolie mit der offenen Seite auf die Wärmeleitpastenschicht aufgebracht. Da die Gitterstruktur eine Höhe von mehr als 100 μm aufweist, überdeckt die Folienschicht die Wärmeleitpaste ohne sie zu berühren. Einzig die Stege der Gitterstruktur liegen auf maximal 8% der Oberfläche der Wärmeleitpaste auf bzw. durchdringen diese zumindest teilweise.A advantageous alternative to the above-mentioned configuration of the molded plastic part is a configuration as a lattice structure film open on one side. Such lattice structure films consist of a film layer of a few 10 μm Thickness and an applied honeycomb-shaped example Grid structure with a height of more than 100 μm. To protect the thermal paste layer this lattice structure film with the open side on the thermal paste layer applied. Since the lattice structure has a height of more than 100 μm, it is covered the film layer the thermal paste without touching it. Only the bars of the lattice structure lie on a maximum of 8% of the surface of the Thermal Compounds on or penetrate them at least partially.

Claims (8)

Wärmeleitpaste (20) bestehend aus mindestens einem Basisstoff (22) und mindestens einem Füllstoff (24, 26), wobei der Basisstoff (22) eine dynamische Viskosität zwischen 25 und 500 mPa·s aufweist, mindestens ein Füllstoff (24, 26) aus Metallpartikeln besteht, der oder die Füllstoffe eine Partikelgröße kleiner als 20 μm aufweisen, die Wärmeleitpaste einen Füllgrad des oder der Füllstoffe zwischen 20 und 70% aufweist.Thermal paste ( 20 ) consisting of at least one base material ( 22 ) and at least one filler ( 24 . 26 ), the base material ( 22 ) has a dynamic viscosity between 25 and 500 mPa · s, at least one filler ( 24 . 26 ) consists of metal particles, the filler or fillers have a particle size smaller than 20 microns, the thermal paste has a fill level of the filler or fillers between 20 and 70%. Verfahren zum Auftrag und Schutz einer Wärmeleitpaste, wobei die Wärmeleitpaste (20) vorzugsweise in einem Siebdruckverfahren auf eine Oberfläche (16) aufgebracht wird und mittels eines Kunststoffformteils überdeckt ist, wobei maximal 8% der Oberfläche der Wärmeleitpaste (20) in Kontakt mit dem Kunststoffformteil (40) sind.Process for applying and protecting a thermal paste, the thermal paste ( 20 ) preferably in a screen printing process on a surface ( 16 ) is applied and covered by means of a molded plastic part, with a maximum of 8% of the surface of the thermal paste ( 20 ) in contact with the molded plastic part ( 40 ) are. Wärmeleitpaste nach Anspruch 1, wobei der Basisstoff (22) aus Dimethylpolysiloxan oder einem perfluoriertem Polyetheröl oder einer Mischung der beiden im Verhältnis von 40 : 60 bis 60 : 40 besteht.Thermal paste according to claim 1, wherein the base material ( 22 ) consists of dimethylpolysiloxane or a perfluorinated polyether oil or a mixture of the two in a ratio of 40:60 to 60:40. Wärmeleitpaste nach Anspruch 1, wobei der Füllstoff aus einer Mischung aus Silber (24) und Graphit (26) mit einem Verhältnis von 90 : 10 bis 40 : 60 besteht.Thermal paste according to claim 1, wherein the filler consists of a mixture of silver ( 24 ) and graphite ( 26 ) with a ratio of 90:10 to 40:60. Wärmeleitpaste nach Anspruch 1, wobei die Füllstoffe (24, 26) in Plättchenform vorliegen.Thermal paste according to claim 1, wherein the fillers ( 24 . 26 ) are in platelet form. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kunststoffformteil (40) eine einseitig zur Wärmeleitpaste (20) hin offene Gitterstrukturfolie ist.The method of claim 2, wherein the molded plastic part ( 40 ) one side to the thermal paste ( 20 ) open grid structure film. Verfahren nach Anspruch 2, wobei das Kunststoffformteil (40) eine Tiefziehfolie mit einer versteifenden Struktur (44) und Noppen (42) zum Kontakt mit der Wärmeleitpaste (20) ist.The method of claim 2, wherein the molded plastic part ( 40 ) a thermoformed film with a stiffening structure ( 44 ) and pimples ( 42 ) for contact with the thermal paste ( 20 ) is. Verfahren nach Anspruch 2, wobei die Schichtdicke der Wärmeleitpaste (10) zwischen 10 und 80 μm beträgt.The method of claim 2, wherein the layer thickness of the thermal paste ( 10 ) is between 10 and 80 μm.
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