Steinbeis-Team entwickelt Messgerät zur Bestimmung der Wärmeleitung von Leiterplatten
Die Lebensdauer mechatronischer Systeme wird wesentlich von deren thermischer Belastung beeinflusst. Ob Leistungselektronik, LED oder Fahrzeugbatterie: Nur im spezifizierten Temperaturbereich arbeiten die Systeme nach Vorschrift. Das Team des Steinbeis-Transferzentrums Wärmemanagement in der Elektronik hat sowohl ein innovatives Messgerät entwickelt als auch am zugehörigen IPC-Messstandard wesentlich mitgewirkt. Mit dem Gerät lässt sich die Wärmeleitung von speziellen Leiterplatten, sogenannten MBPB-Materialien, präzise bestimmen.
Der vom Steinbeis-Transferzentrum Wärmemanagement in der Elektronik entwickelte TIMTester
Neue Systeme werden immer kleiner, aber auch immer leistungsfähiger, wodurch die Leistungsdichte und die Abwärme kontinuierlich ansteigen. Damit wird das Wärmemanagement bei der Entwicklung neuer Technologien zur zentralen Aufgabe, denn: Jedes Grad, das einem System auch innerhalb des zulässigen Temperaturbereichs erspart bleibt, verlängert dessen Lebensdauer. Im Fokus aktueller Entwicklungen stehen neue Materialien, die die abzuführende Wärme besser transportieren – hier kommt es besonders auf thermische Interfacematerialien (TIM) an. Sie sorgen für eine gute thermische Kopplung der Komponenten untereinander, wie zum Beispiel die Verbindung der Batteriezellen mit dem umgebenden Gehäuse. Die präzise Messung der Wärmeleiteigenschaften dieser Interfacematerialien ist die Voraussetzung für deren Weiterentwicklung und die thermische Optimierung der Systeme.
Der TIMTester: eine Erfolgsgeschichte
Das Steinbeis-Transferzentrum Wärmemanagement in der Elektronik (ZFW) hat sich schon früh dieser Herausforderung angenommen und ein Messgerät für die Charakterisierung von TIM entwickelt. Die erste Generation des sogenannten TIMTesters wurde 2013 mit dem Transferpreis der Steinbeis-Stiftung – Löhn-Preis ausgezeichnet. Seither baut und vertreibt das Steinbeis-Team aus Walddorfhäslach das Gerät international an namhafte Unternehmen. Im Lauf der Jahre wurden zusätzliche Kundenwünsche aufgenommen und weitere Messmöglichkeiten integriert. Die aktuelle Gerätegeneration liefert neben Informationen zu den Wärmetransporteigenschaften der TIM wertvolle Hinweise zu deren Alterungsverhalten. Mit einem ausgeklügelten Messmodus können die Alterung der Proben im Zeitraffer beschleunigt und deren Wärmetransporteigenschaften kontinuierlich aufgezeichnet werden. Materialausfälle lassen sich gezielt provozieren und deren Ursache analysieren.
IPC-Messstandard
Eine besondere Herausforderung bei der thermischen Charakterisierung sind MBPB-Materialien. MBPB steht für Metal Based Printed Boards, also Leiterplatten mit einer metallischen Lage aus Aluminium oder Kupfer, die zur Kühlung dient. Diese Technologie wird in der Elektronik bei hohen Leistungsdichten, wie zum Beispiel LED-Anwendungen, verwendet. Insbesondere die präzise Kontaktierung der Proben sowie die Bestimmung der Schichtdicken sind herausfordernd. Vergleichende Messungen mit unterschiedlichen Messeinrichtungen in verschiedenen Laboren zeigten in der Vergangenheit eine außergewöhnlich breite Streuung der Ergebnisse. Geforderte Qualitätsstandards waren damit von den Fertigern nur schwer einzuhalten und in der Industrie wurde der Wunsch nach einem Messstandard für MBPB-Materialien laut. Auch die IPC, ein weltweiter Verband, der Industriestandards in der Elektro- und Elektronikfertigung veröffentlicht, wurde auf das Thema aufmerksam und kam auf das Steinbeis-Transferzentrum Wärmemanagement in der Elektronik zu: Gefordert wurde, die Eigenschaften des TIMTesters in Form eines Messstandards zu beschreiben. Es folgten Diskussionen mit internationalen Partnern aus Industrie und Wissenschaft sowie vergleichende Messungen zur Qualitätssicherung. Mit den Ergebnissen zeigt sich Steinbeis-Unternehmer Professor Dr.-Ing. Andreas Griesinger zufrieden: „Die hervorragende Präzision des TIMTesters wurde international bestätigt. Unsere Technologie stellt eine weltweite Basis für die thermische Charakterisierung der MBPB-Materialien für leistungselektronische Systeme dar.“ Die nächste Anfrage des IPC wartet bereits: Im Fokus steht ein neues, vom Steinbeis-Team entwickeltes System für thermomechanische Prüfungen von Wärmeleitmaterialien.
Der vom Steinbeis-Transferzentrum Wärmemanagement in der Elektronik entwickelte Messstandard ist seit September 2022 unter der Bezeichnung „2.4.54 Test Method for Thermal Transmission Properties of Metal Based Printed Boards (MBPB) 09/22“ in die „IPC TM-650 Test Methods Manuals“ aufgenommen und steht online zur Verfügung: https://bit.ly/3lWE50u
Kontakt
Prof. Dr.-Ing. Andreas Griesinger (Autor)
Steinbeis-Unternehmer
Steinbeis-Transferzentrum Wärmemanagement in der Elektronik (Walddorfhäslach)
Steinbeis-Innovationszentrum Wärmemanagement (Walddorfhäslach)
www.zfw-stuttgart.com