Temperaturabhängigkeit der thermischen Lebensdauer gemäß ASTM E1877 (Bild: IMP)

09.09.2021 Lebensdauerabschätzung bei funktionalen Polymeren für Elektroanwendungen

Ein Ansatz, sich der Realität der Funktionssicherheit über Jahre zu nähern

von Dr. Arno Maurer (OST – Ostschweizer Fachhochschule, Institut für Mikrotechnik und Photonik), Debra Carolina Cortez Gomez (OST – Ostschweizer Fachhochschule, Institut für Mikrotechnik und Photonik), Professor Dr. Jens Ulmer (OST – Ostschweizer Fachhochschule, Institut für Mikrotechnik und Photonik), Yves Kuster (OST – Ostschweizer Fachhochschule, Institut für Mikrotechnik und Photonik)

Funktionale Polymere, z.B. thermisch leitfähige Klebstoffe oder Vergussmassen, gewinnen für die Kühlung von Leistungshalbleitern und Elektrokomponenten zunehmend an Bedeutung. Als Kompositmaterialien, zusammengesetzt aus der Polymermatrix und einem Keramikpulver, können sie sich im Verlauf ihrer Einsatzdauer infolge thermischer, mechanischer und chemischer Belastungen mehr oder weniger stark verändern – was es zu untersuchen gilt.

In der Praxis verwendet man Labortests zur Alterung im Zeitraffer, um eine Aussage über die Zuverlässigkeit der Materialien und der damit hergestellten Baugruppen zu erhalten. Aus den Ergebnissen der beschleunigten Alterung versucht man eine Prognose über das Langzeitverhalten abzuleiten. Anhand einer thermisch leitenden Vergussmasse für Leistungsumrichter werden hier geeignete Prüfmethoden und einfache Modellierungsansätze für die Alterung und Lebensdauerabschätzung dargestellt.

Was leisten funktionale Polymere in elektrischen Anwendungen?
Polymere in elektrischen Anwendungen werden hauptsächlich wegen ihrer gut isolierenden Eigenschaften verbreitet eingesetzt. Sie können jedoch zusätzliche Funktionalitäten mitbringen, z.B. optische (Lichtdurchtritt oder Blickschutz), mechanische (Stoßschutz, Schwingungsdämpfung) oder thermische Funktionen. In Reinform sind Kunststoffe schlechte Wärmeleiter, können aber durch Compoundieren mit Metall- oder Keramikpartikeln eine nutzbringende Wärmeleitfähigkeit von einigen W/mK erreichen. Werden solche thermisch leitende Komposite zum Füllen von Spalten oder Hohlräumen in Leistungsbaugruppen eingesetzt, ermöglichen sie, im Gegensatz zu Luft, eine gute Wärmeableitung von der Leistungskomponente in die entsprechende Kühlstruktur (z.B. Kühlkörper oder Aktivkühlung). Durch die Verringerung der Betriebstemperatur kann sich die Lebensdauer des Bauteils erhöhen oder sogar die Leistungsausbeute verbessern. Außerdem kann durch ein verbessertes Wärmemanagement der Aufwand für die Kühlung und damit auch der gesamte Bauraum verringert werden. Komposite mit einer hohen Wärmeleitfähigkeit sind daher von großem Nutzen, um Komponenten mit hohen Leistungen auf kleinem Raum zu bauen und wirtschaftlich zu betreiben. Um eine Wärmeleitfähigkeit von 1 W/mK in einem solchen Komposit zu erzielen (z. Vgl.: Aluminium liegt bei 220 W/mK), muss die Polymermatrix bereits etwa 50 % wärmeleitfähige Partikel enthalten. Das bedeutet für Komposite mit 2 bis 3 W/mK dann hohe Füllgrade von 60 bis 70 %, was sich deutlich auf die rheologischen und mechanischen Eigenschaften des Materials auswirkt. Ebenso sind Auswirkungen auf die Langzeiteigenschaften im Betrieb [1] zu erwarten.