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Die Konzentration von elektronischen und mechanischen Komponenten auf einer Leiterplatte (z.B. Main board) nimmt ständig zu. Dies führt zu höheren Verlustleistungsdichten und somit zu strengeren Anforderungen an das thermische Management. In momentanen und zukünftigen luftgekühlten Anwendungen wird, neben der reinen konduktiven Interaktion zwischen elektronischen Komponenten über die Leiterplatte, zukünftig auch die fluidische Interaktion der natürlichen und forcierten Konvektion während des Leiterplattendesigns mit zu berücksichtigen sein. Der Schaltkreisentwickler benötigt hier zusätzliche Informationen über die thermo-fluidisch gekoppelten Einflüsse zwischen den kritischen wärmedissipierenden Komponenten sowie fluidischer Überlagerungen in Folge anderer angrenzender Komponenten oder mechanischer Komponentengehäuse. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Benchmark-Studien zu konvektiven und konduktiven thermischen Interaktionen für verschiedene kommerziell erhältliche mikroelektrische Gehäusetypen veröffentlicht. Heutzutage hat sich die Flip-Chip (FC) Aufbautechnologie von ungehäusten Chips (bare dies) etabliert. Von daher besteht der Bedarf für eine thermische Benchmark Studie für FC Aufbauten. Die vorliegende Studie untersucht die natürlichen und forcierten thermo-fluidischen Einflüsse zwischen ungehäusten FC’s und anderen Komponenten, welche auf mehreren Testleiterplattendesigns aufgebaut und mit der CFD-Simulation verglichen wurden. Ein Vergleich der ersten analysierten Scenarios zeigt eine nachvollziehbare Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.
New die attach technologies are necessary to meet the demand for faster and more reliable power electronic devices.Technologies based on sintering such as silver sintering and silver sinter adhesives are currently in the focus of technology development because of their high strength and very high thermal performance. To ensure the reliability of such a die attach reliable, fast and non-destructive failure analysis (FA) are needed. Transient thermal methods (TTM) provide techniques for detection of different types of defects such as delaminations of interfaces, cracks , electrical short circuits and voids in die attach layer [1]–[3]. In this work, pulse thermography (PT), one of the TTMs, was successfully used for nondestructive testing of the die attach layers under industrial conditions. We have studied the physical principles and presented fundamental possibilities and limitations given by formulas, nomograms and parameter sensitivity studies. Finally, we demonstrate the PT as accompanying FA to process qualification of a sintered silver adhesive process.
This paper deals with the development of an innovative test stand for the measurement of thermal and electrical conductivity of metals, semiconductors, highly conductive die attaches and substrates using the steady state technique for thermal characterization and four-terminal sensing with pulse delta technique for electrical characterization. We present a systematic study of sintered silver in order to investigate the influence of sintering conditions on thermal and electrical properties. Several
sintered silver samples have been prepared under sintering temperature variation between 200°C and 270°C and sintering
pressure variation between 5 MPa and 25 MPa. The characterization results diversify up to 200% for thermal conductivity and up to 330% for electrical conductivity. The Wiedemann-France law describes the relationship between electrical and thermal conductivities for bulk metals. We proved that this law applies not only for bulk metal but also for porous sintered metal.
Feasibility and Design Study of a Frictionless Air Mover for Thermal Management of Electronics
(2014)
A frictionless air mover concept will be introduced. As opposed to a piezoelectric driven fan, the air mover is based on a flexible blade whose vibration is driven by means of a magnetic field. The blade material is based on a polymer material. The paper presents the results of feasibility and an on-going comprehensive design study. The results are compared with a comparable piezoelectric fan [1, 2]. The performance of the feasibility study amounted to 65% to the piezoelectric fan. To enhance the performance, two different blade materials as well as the influence of the coil shape and value were under investigation. A further goal is to reduce the size and to investigate the influence of a cabinet. The design study results in a prototype of a size of 50 x 14 x 35 mm² incl. a cabinet. The performance could be doubled. A volume flow rate of V̊ ~14 l/min and static pressure of Ƿstat = 3 Pa could be reached.
Today, electronic and thermal engineers want to figure out, which location are the most compliant one, to ensure electronic function of the system and get a reliable thermal design. Numerical simulations can help to understand thermal paths and interactions between electronic parts nearby. However, there are often time consuming, to set-up all material parameters and fluid flow properties. The usage of Compact Thermal Models (CTM) are often used for power application and can provide first solutions to heat transfer via solid substrate, thermal spreading and solid to fluid interactions. Those CTM cannot fully replace a complex fluid mechanical analysis with a Computational Fluid Dynamics (CFD) software environment. Furthermore, CTM can take place in preliminary studies during the early design phase of electronic systems within the implementation of key parameters e.g. thermal conductivity of the substrate, fluid flow velocity, power losses and different dimensions of the system. This paper continuous the experimental and numerical study of to complete an approach for CTM based thermal equivalent resistor networks with consideration of dynamic heat spreading along the substrate and laminar convective fluid interactions on typical Printed Circuit Boards (PCB) with micro-electronic Flip-Chip (FC) assemblies
Thermal greases allow a low stress bond at low bond line thicknesses (BLT) at medium thermal conductivities and simple application, all of which make it an alternative to solders, thermal adhesives or pads. It is widely used in power and microprocessor applications, most of which involve large areas to be used for heat transfer. However, for years thermal overload failure of power modules and chips has been a pressing problem due to pump-out of thermal grease as a die or module thermal interface material (TIM): Most thermal greases are Bingham fluids and thus not solids, so they can be squeezed out from in between the gap, driven by thermo-mechanical action of the adjacent layers as e.g. DCB substrate or silicon chip with the heat sink. Today, thermal greases have to be qualified in lengthy stress tests in a product relevant environment which consumes substantial resources as often a system test is required. Therefore, a fast test is necessary which accelerates testing and thus allows a fast screening of commercial greases on one hand, and guidelines for material development on the other. For that purpose this paper addresses this topic in a combined simulative and experimental way, where at the same time a novel test procedure is proposed for accelerated grease pump-out testing (GPOT) in the framework of a completely new approach, combining loading with in-situ failure analytical techniques and decoupling thermal from mechanical loading. This allows for the first time a realistic loading of greases during accelerated testing with testing times below one hour. The method is demonstrated on various commercial and custom greases, varying their composition and structure, and benchmarked against industry standard thermal cycling tests. Further, two fundamental failure mechanisms have been identified being at work simultaneously, notably fluid transport (which constitutes actually a pump-in phenomenon) and air entrapment. We were able to identify key properties of the materials and loading variables, on which their intensity depends.
Kommerziell verfügbare miniaturisierte Axial- oder Radial-Lüfterkonzepte basieren auf einem kugelgelagerten Prinzip, welche, aufgrund von Reibung sich abnutzen und somit eine relativ geringe Lebensdauer (MTTF < 14000 h) haben.
Die am Markt verfügbaren reibungslosen Lüfterkonzepte wie Piezo-Lüfter (Nutzung des Piezo-elektrischer Effektes) oder Synthetic-Jet Lüfter (Lautsprecherprinzip) weisen, aufgrund des Aufbaukonzepts, eine geringere Alterung auf. Im Fall des Piezo Lüfter-Lamellen-Konzepts wird die MTTF mit > 4600h angegeben, da es im Betrieb zu einer Degradation der Klebeschicht zwischen Lamelle und Piezo-Material kommt. Hinzu kommt, dass das Piezo-Element mit einer Betriebsspannung von > 40 V angeregt werden muss und der Anschaffungspreis, im Vergleich zu den miniaturisierten Axial- und Radiallüftern als auch den Synthetic Jet Lüftern um den Faktor sechs (~ 200 €) höher liegt.
Synthetic Jet Lüfter haben zwar eine wesentliche bessere MTTF > 100000 h, allerdings liegen der Formfaktor (Ø 60 mm) und das Gewicht (125 g), verglichen mit dem Piezo Lüfter (60x 15x 30 mm², 10 g, ohne Ansteuerelektronik), wesentlich darüber.
Der Ansatz des entwickelnden reibungslosen Lamellen-Lüfterkonzepts greift die Vorteile eines Piezo-Lüfters (Lamelle) und des Synthetic Jet-Lüfters (magnetische Anregung) auf. Dadurch, dass die Lamelle nicht mehr, wie beim Piezo-Lüfter, auf einen Piezo-Aktuator aufgeklebt wird, sondern in einem Körper fixiert und berührungslos angeregt wird, verspricht das Konzept eine wesentlich höhere Lebensdauer.
Anwendungen finden sich im Bereich von schwer zugänglichen elektronischen Baugruppengehäusen (z.B. Funkstationen), in welchen die natürliche Konvektion durch eine zuverlässige Umwälzung der Luft ergänzt werden soll, um die Lebensdauer der elektronischen Komponenten zu erhöhen.
Im Vortrag werden das Lüfterkonzept, ein miniaturisierter Prototyp (Größe einer Streichholzschachtel) sowie die Performance zur Kühlung von elektronischen Komponenten an einem Anwendungsbeispiel vorgestellt.
Die Konzentration von elektronischen und mechanischen Komponenten auf einer Leiterplatte (z.B. Main board) nimmt ständig zu. Dies führt zu höheren Verlustleistungsdichten und somit zu strengeren Anforderungen an das thermische Management. In momentanen und zukünftigen luftgekühlten Anwendungen wird, neben der reinen konduktiven Interaktion zwischen elektronischen Komponenten über die Leiterplatte, zukünftig auch die fluidische Interaktion der natürlichen und forcierten Konvektion während des Leiterplattendesigns mit zu berücksichtigen sein. Der Schaltkreisentwickler benötigt hier zusätzliche Informationen über die thermo-fluidisch gekoppelten Einflüsse zwischen den kritischen wärmedissipierenden Komponenten sowie fluidischer Überlagerungen in Folge anderer angrenzender Komponenten oder mechanischer Komponentengehäuse. In der Vergangenheit wurden zahlreiche Benchmark-Studien zu konvektiven und konduktiven thermischen Interaktionen für verschiedene kommerziell erhältliche mikroelektrische Gehäusetypen veröffentlicht. Heutzutage hat sich die Flip-Chip (FC) Aufbautechnologie von ungehäusten Chips (bare dies) etabliert. Von daher besteht der Bedarf für eine thermische Benchmark Studie für FC Aufbauten. Die vorliegende Studie untersucht die natürlichen und forcierten thermo-fluidischen Einflüsse zwischen ungehäusten FC’s und anderen Komponenten, welche auf mehreren Testleiterplattendesigns aufgebaut und mit der CFD-Simulation verglichen wurden. Ein Vergleich der ersten analysierten Scenarios zeigt eine nachvollziehbare Übereinstimmung zwischen den experimentellen und den Simulationsergebnissen.
Aufbauend auf dem bereits einführten transienten thermo-elektrisch gekoppelten Makromodell für ein ein-adriges Stromkabel wird die Adaption auf ein zwei-adriges Stromkabel, sowie deren Verifikation mittels Experiment und einer Finite-Elemente-Simulation vorgestellt. Das parametrische Makromodell ist für den Einsatz in einem Schaltungssimulator wie z.B. PSPICE geeignet. Die Verifikation der statischen und transienten Simulationsergebnisse zwischen ANSYS, PSPICE und Experiment zeigen, je nach den äußeren Randbedingungen eine gute Übereinstimmung. Sowohl mit dem ein-adrigen als auch dem erweiterten zwei-adrigen Makromodell ist es möglich, auf Systemebene schnell für verschiedene thermische Randbedingungen und Kabelgeometrien zu modellieren und somit eine zeitsparende, transient gekoppelte thermo-elektrische Simulation je nach den Randbedingungen des Einbauorts durchzuführen. Hierbei unterstützt die parametrische Modellierung eine Beschreibung der "realen thermischen" Montagebedingungen (z.B. in einem Auto – Motorraum, Fahrzeuginnenraum). Es ermöglicht dem Entwickler sich einen schnellen Überblick über die thermischen Einflüsse und Temperaturen entlang des Stromkabels zu verschaffen und so z.B. bei der Kabelauslegung hinsichtlich Größe und Gewicht (Kupfer Durchmesser, verwendetes Isoliermaterial) sowie dem Einbauort (Wärmeleitung, Konvektion, Strahlung) dieses zu optimieren.