WO2012107355A1 - 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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WO2012107355A1
WO2012107355A1 PCT/EP2012/051814 EP2012051814W WO2012107355A1 WO 2012107355 A1 WO2012107355 A1 WO 2012107355A1 EP 2012051814 W EP2012051814 W EP 2012051814W WO 2012107355 A1 WO2012107355 A1 WO 2012107355A1
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interface material
thermal interface
tim
thermal
sample
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Application number
PCT/EP2012/051814
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English (en)
French (fr)
Inventor
Mohamad Abo Ras
Ralf Haug
Carole Monory-Plantier
Ralph Schacht
Original Assignee
Robert Bosch Gmbh
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Publication date
Application filed by Robert Bosch Gmbh filed Critical Robert Bosch Gmbh
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
    • G01N25/00—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means
    • G01N25/18—Investigating or analyzing materials by the use of thermal means by investigating thermal conductivity

Definitions

  • the invention is based on a method for characterizing a thermal interface material according to the preamble of independent claim 1, and of a measuring arrangement for characterizing a thermal interface material according to the preamble of independent patent claim 7.
  • thermal interface materials TIM
  • user-specific test methods for determining thermal resistance of thermal interface materials (TIM) and user-specific test methods are known from the prior art, which can be used to characterize the aging behavior of thermal interface materials (TIM) and their interfaces under mechanical stress.
  • ASTM D-5470 describes a method to measure the thermal resistance of thermal interface materials (TIM).
  • the measuring arrangement consists of two copper blocks, between which heat is transported. In between is the thermal interface material (TIM).
  • Temperature sensors measure the temperature in several places in both copper blocks. The surface temperature of each block can be determined from the measured temperature gradient. The measurement is carried out in thermal equilibrium.
  • thermal interface resistance is not negligible.
  • thermal and thermomechanical simulations are required to find the optimal concept. This requires accurate values for the bulk and interface properties of the thermal interface materials (TIM).
  • TIM thermal interface materials
  • TIM thermal interface material
  • Transient measuring methods are not suitable for characterizing materials with temperature-dependent thermal and mechanical properties. Published material properties usually refer to the specific measuring arrangement used and the surfaces used there (finish, flatness, roughness, pressure, ). However, thermal interface materials (TIM) are used in a wide range of these sizes, which do not always correspond to the application conditions. Disclosure of the invention
  • thermal interface material (TIM) in see the corresponding application application, wherein during the load in each state, the thermal properties of the thermal interface material (TIM) and the interfaces can be determined.
  • thermal interface material (TIM) TIM in see the corresponding application application, wherein during the load in each state, the thermal properties of the thermal interface material (TIM) and the interfaces can be determined.
  • Embodiments of the present invention may be used for all classes of thermal interface materials (TIM). Furthermore, the layer thicknesses of the thermal interface materials (TIM) can be realized as in the associated application. Advantageously, embodiments of the present invention can realize surfaces in terms of flatness, roughness, material, temperature, etc. as they occur in many application applications. Additionally, embodiments of the present invention may map the mechanical loading of the thermal interface material (TIM) as in the corresponding application application.
  • embodiments of the present invention may determine the thermal resistance in each state, with reference herein to various temperature, pressure, and / or layer thickness conditions.
  • embodiments of the present invention allow calculate the results obtained for the bulk and interface resistances for each load condition. These values can then be used in thermal and thermomechanical simulations.
  • embodiments of the present invention are applicable at various TIM temperatures, so that temperature influences and
  • embodiments of the present invention allow the behavior and aging of the thermal interface material (TIM) to be monitored optically with the aid of a camera online, and to perform the measurement under reproducible tilt angles to determine the influence of different tilt angles between the camera mechanical stress and the thermal interface material (TIM) on the thermal properties of the thermal interface material (TIM).
  • the thermal interface material sample (TIM sample) is subjected to cyclic mechanical loading in order to change a current layer thickness of the TIM sample, the resulting layer thickness of the TIM sample being measured and compared to the TIM sample
  • the mechanical load is the main influence on the aging of the thermal properties of the thermal interface material (TIM).
  • the measuring arrangement for characterizing a thermal interface material, of which a sample with a predetermined layer thickness between a thermal test chip and a metal base body is arranged and mechanically loaded, determines a thermal resistance of the thermal interface material (TIM) for each load condition and comprises at least a temperature sensor for determining a current temperature before and at least one temperature sensor for determining a current temperature after the TIM sample and a force measuring device for measuring a currently acting force.
  • the determined current temperatures and the determined current force can be evaluated to determine the thermal resistance.
  • the thermal interface material sample is cyclically mechanically loaded in order to change a current layer thickness of the TIM sample, wherein a length measuring device is provided which measures the resulting layer thickness of the TIM sample and for determining the thermal resistance and the aging behavior of the thermal interface material (TIM).
  • the currently acting force is measured on the TIM sample as the current pressure and / or tensile force.
  • the force measurement can be carried out in a particularly simple manner with a force measuring device designed as a load cell.
  • the at least one actual temperature before the TIM sample in the thermal test chip and the at least one current temperature in the heat flow after the TIM sample can be measured, for example, at three distributed positions in the metal base body. From those measured in the metal body at different positions
  • the thermal thermal resistance of the thermal interface material can then advantageously be determined.
  • the thickness of the TIM sample can be adjusted stepwise with a resolution of about 1 ⁇ for the cyclic mechanical stress.
  • the cyclic mechanical load of the TIM sample can be easily adjusted via a stepper motor.
  • the mechanical stress of the TIM sample can act at an adjustable tilt angle on the TIM sample.
  • TIM thermal interface material
  • at least one tilt sensor may be provided for angle measurement, for example an angle measuring device designed as a goniometer and for determining parallelism.
  • FIG. 1 shows a schematic perspective view of a measuring device with an exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM) and for carrying out a method according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM).
  • TIM thermal interface material
  • FIG. 2 shows a more detailed illustration of part of the measuring device of FIG. 1.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of a first state of an exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM) for the measuring device from FIGS. 1 and 2.
  • 4 shows a schematic representation of a second state of the exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM) from FIG. 3 for the measuring apparatus from FIGS. 1 and 2.
  • FIG. 5 shows a thermal equivalent circuit of the exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM) from FIGS. 3 and 4.
  • FIG. 6 shows a schematic representation of the exemplary embodiment of a measuring arrangement according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM)
  • FIG. 7 shows a temperature / position diagram for determining the heat flow.
  • a measuring device 1 comprises a metal frame 3, in which a stepping motor 5, a first support plate 7, a base plate 9, an angle measuring device 10, a force measuring device 12, at least one tilt sensor 14, a Heat sink 16, a second support plate 18 and a measuring arrangement 20 with a
  • the stepping motor 5 is arranged on a height-adjustable holder.
  • the angle measuring device 10 is embodied, for example, as a two-angle goniometer with a resolution of approximately 30 arcsec and is connected to the height-adjustable first carrier plate 7.
  • the heat sink 16 is designed for example as a water cooler and arranged on a base plate 18, wherein the metal base body 22 is disposed on the heat sink 16.
  • the force measuring device 12 is designed to determine compressive and tensile forces, preferably as a load cell and arranged with the at least one inclination sensor 14 below the Wnkelmess adopted 10 on the upper side of the second support plate 18.
  • a measuring arrangement 20 for characterizing a thermal interface material (TIM) is arranged.
  • a thermal interface material sample (TIM sample) 26 having a predetermined layer thickness D1, D2 between the
  • the illustrated load condition is a tensile force F, which acts on the TIM sample 26 and results in a first layer thickness D1.
  • the illustrated load state is a compressive force F, which acts on the TIM sample 26 and results in a second layer thickness D2, which is thinner than the first layer thickness D1.
  • the inventive method for characterizing a thermal interface material (TIM) 26 determines a thermal resistance R TM of the thermal interface material (TIM) 26 for each load condition, wherein at least one temperature sensor 24.1 for determining a current temperature T c before and at least one temperature sensor 22.1 , 22.2, 22.3 are provided for determining a current temperature Ti, T 2 , T 3 after the TIM sample 26.
  • the determined current temperatures T c , Ti, T 2 , T 3 and the determined current force F are then evaluated to determine the thermal resistance R TM.
  • the thermal interface material sample 26 is cyclically mechanically loaded in order to change the current layer thickness D1, D2 of the TIM sample 26.
  • a length measuring device 28 is provided, which measures the resulting layer thickness D1, D2 of the TIM sample 26 and, for the determination of the thermal resistance, makes RTIM and the aging behavior of the TIM sample 26 available.
  • the mechanical load is the main influence on the aging of the thermal properties of the thermal interface material (TIM).
  • the cyclic mechanical load F of the TIM sample 26 is preferably set via the stepping motor 5, which determines the actual layer density D1, D2 of the thermal interface material (TIM) 26 stepwise with a resolution of about 1 ⁇ can set.
  • Embodiments of the present invention advantageously allow the mechanical stress F of the TIM sample 26 to act on the TIM sample 26 at an adjustable tilt angle.
  • the tilt angle between the mecha- nischer load F and the TIM sample 26 may be specified using the angle measuring device 10 and the at least one tilt sensor 14.
  • FIGs. 5 to 7 the method of characterizing a thermal interface material (TIM) according to the present invention will be described below.
  • 5 shows a thermal equivalent circuit of the illustrated measuring arrangement 20 according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM).
  • 6 shows the measuring arrangement 20 according to the invention for characterizing a thermal interface material (TIM) with different temperature sensors 24.1, 22.1, 22.2, 22.3
  • FIG. 7 shows a temperature / position diagram for determining the heat flow Q in the measuring arrangement 20 and of the thermal Resistor R TM of thermal interface material (TIM).
  • the metal body 22 may also be made of another suitable material, such as copper.
  • Embodiments of the method of characterizing a thermal interface material (TIM) arrange a sample 26 of the thermal interface material (TIM) with a predetermined layer thickness between the thermal test chip (TTC) 24 and the metal base 22.
  • the Messan- order is mechanically loaded, wherein for each load state, the thermal resistance R TM of TIMs 26 is determined and to determine the thermal resistance R TM in a measuring device 20 at least one current temperature T c before and at least one current temperature Ti, T 2nd , T 3 after the TIM sample 26 and a currently acting force F are measured.
  • the thermal interface material sample 26 is subjected to cyclic mechanical loading in order to change a current layer thickness of the TIM sample 26, the resulting layer thickness of the TIM sample 26 is measured and evaluated to determine the thermal resistance RTIM and the aging behavior of the thermal interface material (TIM) 26.
  • TTC thermal test chip
  • the heat flow Q (Q ⁇ 5T / 5a) is estimated by the measuring arrangement 20 from the slope of the temperature characteristic curve which is established in the metal base body 22.
  • the thermal resistance R TM of the thermal interface material (TIM) is then calculated from the difference in front of the TIM sample 24 in the thermal test chip (TTC).
  • Embodiments of the present invention advantageously allow the characterization of the thermal interface material (TIM) aging behavior and its cyclic mechanical stress F interfaces, and a study of the change in bulk conductivity and thermal interface resistance versus cyclic layer thickness variation of the thermal composite Interface material (TIM) and the thermal coupling surfaces.
  • the mechanical stress is the main influence on the aging of the thermal properties of the thermal interface material (TIM).
  • the thermal interface material (TIM) 26 is characterized between a thermotest chip 24 and a metal block 2.
  • the required power loss is generated in the thermal test chip (TTC) 24.
  • TTC thermal test chip
  • the metal block 22 is mounted on a water cooler 16. In block 22 there are three temperature sensors
  • TIM thermal interface Material
  • TIM thermal interface Material
  • TIM thermal interface material
  • the TIM thickness is adjusted with a resolution of approximately 1 ⁇ m by means of a controlled stepping motor 5.
  • a two-angle goniometer 10 is provided with a resolution of 30 arcsec. The parallelism is measured by two inclination sensors 14. Through the goniometer 10 and inclination sensors 14 it is possible to perform measurements at certain tilt angles to investigate their influence on the thermal interface material (TIM).
  • Integrated distance measurer 28 and load cell 12 ensure that the thickness of the thermal interface material (TIM) 26 and the applied force F can be measured and evaluated in real time.
  • the layer thickness of the thermal interface material (TIM) is measured, for example, with the aid of a LVDT (linear variable differential transformer). In this case, a zero point can be defined during the contact between thermal test chip (TTC) 24 and base body 22.
  • All functions of the measuring device 1 can be controlled via a computer arrangement, not shown software, for example, predetermined thermal and / or mechanical cyclic load profiles can be automatically performed and retrieved.
  • the effective thermal resistance is determined after each load step.

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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

Beschreibung
Titel
Verfahren und Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials
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 Editi- ons/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 Wderstand 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 zu- gehörigen 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 Wderstand 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 ver- schiedenen TIM-Temperaturen anwendbar, so dass Temperatureinflüsse und
Beschleunigungsfaktoren bestimmt werden können. Des Weiteren erlauben Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung das Verhalten und die Alte- rung(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 Wderstands 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 ver- ändern, wobei die resultierende Schichtdicke der TIM-Probe gemessen und zur
Ermittlung des thermischen Wderstands 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 thermi- sehen 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. Er- findungsgemäß 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 In- terface-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 Ver- lustleistung 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 wer- den. 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 Wderstand des thermischen Interface-Materials (TIM) bestimmt wer- den. 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 μηι 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
Fig. 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).
Fig. 2 zeigt eine detailliertere Darstellung eines Teils der Messvorrichtung aus Fig. 1.
Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines ersten Zustands eines Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) für die Messvorrichtung aus Fig. 1 und 2. Fig. 4 zeigt eine schematische Darstellung eines zweiten Zustands des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) aus Fig. 3 für die Messvorrichtung aus Fig. 1 und 2.
Fig. 5 zeigt eine thermische Ersatzschaltung des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) aus Fig. 3 und 4. Fig. 6 zeigt eine schematische Darstellung des Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen Messanordnung zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) mit verschiedenen Temperatursensoren für die Messvorrichtung aus Fig. 1 und 2. Fig. 7 zeigt ein Temperatur/Positionsdiagramm zur Ermittlung des Wärmeflusses
Q in der Messanordnung aus Fig. 1 bis 6 und des thermischen Widerstands R™ des thermischen Interface-Materials (TIM).
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 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 Wärme- senke 16, eine zweite Trägerplatte 18 und eine Messanordnung 20 mit einem
Metallgrundkörper 22 und einem Thermotestchip 24. Wie insbesondere aus Fig. 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 30arcsec 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 Nei- gungssensor 14 unterhalb der Wnkelmesseinrichtung 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 Fig. 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 Fig. 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 Fig. 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 R™ 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 Ti , T2, T3 nach der TIM-Probe 26 vorgesehen sind. Die ermittelten aktuellen Temperaturen Tc, Ti , T2, T3 und die ermittelte aktuelle Kraft F werden dann zur Ermittlung des thermischen Wderstands R™ 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 Längenmesseinnchtung 28 vorgesehen, welche die resultie- rende Schichtdicke D1 , D2 der TIM-Probe 26 misst und zur Ermittlung des thermischen Wderstands 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 vorzugswei- se über den Schrittmotor 5 eingestellt, welcher die aktuelle Schichtdichte D1 , D2 des thermischen Interface-Materials (TIM) 26 stufenweise mit einer Auflösung von ungefähr 1 μηι einstellen kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung ermöglichen in vorteilhafte Wei- se, dass die mechanische Belastung F der TIM-Probe 26 unter einem einstellbaren Kippwinkel auf die TIM-Probe 26 wirkt. Der Kippwinkel zwischen der mecha- nischen Belastung F und der TIM-Probe 26 kann unter Verwendung der Winkelmesseinrichtung 10 und des mindestens einen Neigungssensors 14 vorgegeben werden. Bezugnehmend auf Fig. 5 bis 7 wird nachfolgend das erfindungsgemäße Verfahren zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM) beschrieben. Hierbei zeigt Fig. 5 eine thermische Ersatzschaltung der dargestellten erfindungsgemäßen Messanordnung 20 zur Charakterisierung eines thermischen Interface-Materials (TIM). Fig. 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 Fig. 7 zeigt ein Temperatur/Positionsdiagramm zur Ermittlung des Wärmeflusses Q in der Messanordnung 20 und des thermischen Widerstands R™ des thermischen Interface- Materials (TIM).
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, erzeugt eine Verlustleistung (P=U*I), welche im Thermotestchip (TTC) 24 erzeugt wird, den Wärmefluss Q durch die Messanordnung 20, wobei Rs, den thermischen Widerstand des Siliziummaterials des Thermotestchips (TTC) 24, R™ den thermischen Wderstand 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 Messan- Ordnung wird mechanisch belastet, wobei für jeden Belastungszustand der thermische Widerstand R™ des TIMs 26 ermittelt wird und zur Ermittlung des thermischen Wderstands R™ in einer Messanordnung 20 mindestens eine aktuelle Temperatur Tc vor und mindestens eine aktuelle Temperatur Ti , T2, T3 nach der TIM-Probe 26 und eine aktuell wirkende Kraft F gemessen werden. Erfindungs- gemäß 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 Fig. 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 Ti , T2, T3 gemessen.
Wie aus dem Temperatur/Positionsdiagramm gemäß Fig. 7 ersichtlich ist, wird der Wärmefluss Q (Q~5T/5a) durch die Messanordnung 20 aus der Steigung der Temperaturkennlinie abgeschätzt, welche sich im Metallgrundkörper 22 einstellt. Der thermischen Widerstands R™ 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 Ti und dem geschätzten Wärmefluss gemäß der Gleichung
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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 Schichtdicken- änderung 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 Was- serkühler 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 μηι 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.

Claims

Ansprüche
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 (Ti , 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.
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.
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.
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 (ΤΊ , T2, T3) im Wärmefluss (Q) nach der TIM-Probe (26) an drei verteilten Positionen im Metallgrundkörper (22) gemessen werden.
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 μηι eingestellt wird.
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.
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 (Ti , 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, Ti , 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 Längenmess- einrichtung (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.
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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