Nur mit einem perfekten thermischen Design funktionieren Leistungsmodule über ihre gesamte Lebensdauer zuverlässig unter allen Einsatzbedingungen. Dazu ist es notwendig, die thermischen Eigenschaften aller Bestandteile möglichst exakt zu bestimmen. Ein wichtiger Parameter ist hier die Wärmeleitfähigkeit des als Trägers eingesetzten aktivmetallgelöteten Keramiksubstrats (AMB), der eine zuverlässige Messmethode der Temperaturleitfähigkeit der Keramik voraussetzt.
Die Temperaturleitfähigkeit wird im Allgemeinen schnell und zerstörungsfrei mit der Laser-Flash oder Light-Flash-Methode (LFA) bestimmt. Ein kurzer Licht- oder Laserblitz erhitzt dabei eine Probe auf einer Seite, während ein Infrarotsensor den Temperaturanstieg auf der gegenüberliegenden Seite misst. Die Temperaturleitfähigkeit ergibt sich dann aus der Halbwertszeit des Signals und der Probendicke.
Die Messung sehr dünner und hochleitender Materialien stellt dabei besondere Anforderungen an die Probenvorbereitung sowie das verwendete Messgerät. Ein Team rund um Martina Schmirler von der Rogers Germany GmbH hat nun in Zusammenarbeit mit Kollegen vom Fraunhofer-Institut für Keramische Technologien und Systeme IKTS das gängige Messverfahren zur Bestimmung der Temperaturleitfähigkeit anhand von 0,32 mm dünnen Si3N4-Keramiken unter die Lupe genommen. Hinsichtlich Bruchzähigkeit und Wärmeleitfähigkeit ist es das Material der Wahl für eine breite Palette von Leistungsmodulen.
Besser getaucht als gesprüht
Für eine aussagekräftige Messung muss die Probe lichtdicht sein und ein ausreichendes Absorptions- und Emissionsverhalten an den Tag legen. Die übliche Präparationsmethode besteht im Wesentlichen darin, zunächst eine undurchsichtige Goldschicht durch Sputtern aufzubringen und anschließend wärmeleitendes Grafit darüber zu sprühen. Je dünner die Probe, desto größer ist allerdings auch der Einfluss, die Art und Qualität der Beschichtung auf das Messergebnis ausüben. Der Sputter-Prozess ist weitgehend undefiniert und auch das manuelle Aufsprühen des Grafits besitzt nur eine geringe Reproduzierbarkeit, was seine Schichtdicke und Homogenität betreffen.
Schmirler und ihr Team untersuchten deshalb auch zwei alternative Präparationen mit automatischer Tauchbeschichtung. Sie benutzten dazu einen automatischen Tauchbeschichter von Ossian und tunkten damit die Proben in eine Graphit-Isopropanol-Lösung. Aus einer einzigen Siliziumnitrid-Platte wurden für jedes Verfahren je vier, zehn mal zehn Millimeter große Quadrate geschnitten. Vier Proben wurden auf die übliche Weise präpariert. Vier wurden mit Gold beschichtet und automatisch in die Grafitlösung getaucht. Vier schließlich nur mit Grafit tauchbeschichtet. Anschließend bestimmten Schmirler und ihr Team die Temperaturleitfähigkeiten aller Proben mit zwei unterschiedlichen LFA-Messgeräten der Netzsch Gerätebau, auf die später noch näher eingegangen wird.
Die mit der Standardmethode präparierten Proben wiesen dabei die niedrigsten Werte auf (74 W/mK bei 25° C), während die goldbeschichteten und in Grafit getauchten Substrate die höchsten Temperaturleitfähigkeiten erzielten (82 W/mK bei 25° C). Die Ergebnisse der nur in Grafit getauchten Keramikplättchen lagen dagegen zwischen beiden Extremen (78 W/mK bei 25° C).
Für die Messung hochleitfähiger und dünner Materialien empfehlen Martina Schmirler und ihr Team daher für das Aufbringen von Graphit das neue Tauchbeschichtungsverfahren. Es eliminiert den manuellen Einfluss des Aufsprühens der Graphitschicht, erhöht die Reproduzierbarkeit und erlaubt zudem die Feineinstellung der abgeschiedenen Graphitmenge.
Die Pulsbreite ist entscheidend
Je höher die Temperaturleitfähigkeit einer Probe ist, desto steiler ist der Anstieg des Signals bei der LFA-Messung. Für die zuverlässige Messung eines dünnen und gut leitenden Materials muss daher die Pulsdauer so kurz sein, dass der Infrarotsensor auf der gegenüberliegenden Seite erst dann einen Temperaturanstieg erkennt, wenn das Licht wieder abgeschaltet ist. Für ihre Untersuchungen verwendete das Team drei verschiedene LFA-Modelle der Netzsch-Gerätebau, die sich hauptsächlich durch ihre minimale Pulsbreite unterscheiden. Beim LFA 427 beträgt sie 0,1 Millisekunden, beim LFA 447 0,06 Millisekunden und beim LFA 467 Hyper-Flash sind es 0,05 Millisekunden. An mit Gold gesputterten und mit einer dünnen Graphitschicht tauchbeschichteten Proben bestimmte das LFA 427 die Temperaturleitfähigkeit mit 70 W/mK, das LFA 447 kam auf 75 W/mK und das LFA 467 Hyper-Flash maß 80 W/mK, jeweils bei 25° C.
Die Untersuchungen von Martina Schmirler und Kollegen zeigen deutlich, dass nicht alle LFA-Geräte für die Messung der Temperaturleitfähigkeit an dünnen Keramiken mit hoher thermischer Leitfähigkeit geeignet sind. Je kleiner die Pulsbreite ist, desto schneller kann der Anstieg der Temperatur der Probe sein. Eine zuverlässige Messung dünner und hochleitfähiger Keramiken erfordert daher ein Messgerät mit schneller Datenerfassung und ausreichend kleiner Pulsbreite.
