Reliability of Thermal Interface Materials for Power Semiconductor Devices

Loading...
Thumbnail Image
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu | Master's thesis
Date
2017-01-23
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
73 + 10
Series
Abstract
The purpose of this thesis is to study the reliability and the life time of preselected thermal interface materials and to develop an accelerated life time test system for this task. Thermal interface materials are used between power semiconductor devices and thermal solution to enhance the heat transfer between the two objects. Being one of the critical components in the path of heat flow, any weakening can cause severe damage to the component itself or to the whole application. The theoretical background in this study presents the basics of power semiconductor devices, thermal management and reliability related issues. In addition, as secondary objectives, different thermal interface materials are compared and heat transfer between two solid surfaces is examined. The aim of this thesis is to develop a test system that can be used to analyze the life time behaviour of different thermal interface materials. To achieve this, a mechanical test frame, a control circuit and a printed circuit board will be designed and implemented. The aging of different materials is done by switching power transistors on and off causing heat gradients in the thermal path. Two thermal interface materials, an elastomer film and a phase change material, are tested and a regression analysis will be done to predict the thermal performance further. Furthermore, a general degradation model is established based on the measurement data. In addition, the thermal performance with different interface pressures is compared and the uncertainty of measurements is discussed. Finally, the developed empirical model for thermal interface materials is presented. To fully benefit from the degradation models, additional research must be done. Based solely on the thermal performance analysis, the phase change material should be used instead of elastomer film on similar applications. Futhermore, based on the uncertainty analysis, without the calibration of the temperature measurement device, the results of this study could have been useless.

Tämän työn tarkoituksena on tutkia ennalta määriteltyjen lämmönhallintamateriaalien elinikää ja luotettavuutta ja kehittää tätä tarkoitusta varten testausjärjestelmä. Lämmönhallintamateriaaleja käytetään tehopuolijohteiden ja jäähdytyselementin välissä parantamaan lämmönsiirtymistä. Koska lämmönhallintamateriaali sijaitsee jäähdyttämisen kannalta kriittisessä paikassa, voi sen heikkeneminen aiheuttaa komponentin tai koko laitteen tuhoutumisen. Tutkimuksen teoreettinen tausta esittelee tehopuolijohteita sekä lämmönhallintaan ja luotettavuuteen liittyviä aiheita. Lisäksi työssä verrataan eri lämmönhallintamateriaaleja ja tutkitaan kahden kiinteän pinnan välistä lämmönsiirtoa. Työn tavoitteena oli kehittää testausjärjestelmä, jolla voidaan analysoida eri lämmönhallintamateriaalien käyttäytymistä niiden eliniän aikana. Tätä varten työssä suunnitellaan testirunko, ohjauspiiri transistoreille sekä piirikortti. Eri materiaalien vanhentaminen toteutetaan tehosyklauksen avulla. Työssä on tarkoitus tutkia kahta erilaista lämmönhallintamateriaalia, elastomeeria sekä faasimuunnosmateriaalia. Elinikää arvioidaan mittaustuloksiin perustuen regressioanalyysin avulla pidemmälle. Lisäksi mittausdatan avulla materiaaleille kehitetään yleiset hajoamismallit, joita voidaan käyttää apuna suunnittelussa. Tämän lisäksi työssä mitataan lämmönsiirtymistä eri liitospaineilla sekä arvioidaan mittausten luotettavuutta. Työn tuloksena esitellään materiaaleille kehitetyt hajoamismallit. Lisäksi esitellään tarvittava lisätutkimustyö, joka vaaditaan eliniän estimoimiseen. Perustuen pelkästään lämmönsiirto-ominaisuuksiin, faasimuunnosmateriaalia pitäisi käyttää elastomeerin sijasta samanlaisissa käyttökohteissa. Mittausten luotettavuusanalyysin perusteella ilman lämpöantureiden kalibrointeja, mittaustulokset olisivat voineet olla käyttökelvottomia.
Description
Supervisor
Kyyrä, Jorma
Thesis advisor
Huotari, Kari
Keywords
power electronics, power semiconductor device, reliability, thermal interface material, life time
Other note
Citation