Einleitung
Im Zuge der fortschreitenden Entwicklung in der Elektronikindustrie hat sich die Größe von elektronischen Bauteilen in den letzten Jahren drastisch reduziert. Hinzu kommt die stetige Leistungssteigerung, die dazu führt, dass auf engstem Raum immer mehr Wärme abgeführt werden muss, um das elektronische Bauteil vor Überhitzung zu schützen. Voraussetzung für eine rasche Wärmeführung ist eine hohe WärmeleitfähigkeitDie Wärmeleitfähigkeit (λ mit der Einheit W/(m•K)) beschreibt den Transport von Energie - in Form von Wärme - durch einen Körper aufgrund eines Temperaturgefälles.Wärmeleitfähigkeit des Bauteils.
Die LFA 467 HyperFlash® kann Wärmeleitfähigkeitsmessungen an kleinsten elektronischen Bauteilen realisieren. Die schnelle Datenerfassung von 2 MHz ermöglicht die Messung an sehr dünnen Proben, während die patentierte ZoomOptics eine Fokussierung ausschließlich auf die relevanten Bereiche der Probe zulässt.
Proben und Versuchsdurchführung
Es wurden insgesamt fünf Halbleiterbauelemente untersucht:
- 1 Kupfer-Träger (Leadframe) ohne Aufbau
- 2 baugleiche Halbleiterbauelemente mit Aufbau A
- 2 baugleiche Halbleiterbauelemente mit Aufbau B
Die Halbleiterbauelemente bestehen aus einem Kupfer-Träger auf den ein Si-Chip mittels Verbindungsmaterial (z.B. Kleber oder Lot) aufgebracht wurde. Die Halbleiterbauelemente A und B unterscheiden sich nur im Verbindungsmaterial. In Abbildung 1 ist eine solche Probe schematisch dargestellt.
Die Messungen wurden mit der LFA 467 HyperFlash® bei Raumtemperatur durchgeführt. Dabei wurde die gesamte Probe beleuchtet, der Detektor aber mittels ZoomOptics auf einen Durchmesser von nur 3,4 mm fokussiert, siehe Abbildung 1.
Ergebnisse und Diskussion
Die Grundvoraussetzung für ein aussagekräftiges Ergebnis ist eine gute Übereinstimmung von Detektorsignal und mathematischem Fit. Trotz des Strahlungspeaks (aufgrund der nicht idealen Probengeometrie) zu Beginn des Signals trifft dies auf alle Messungen zu, wie beispielhaft in Abbildung 2 gezeigt.
In Abbildung 3 sind die Ergebnisse aller Proben bei Raumtemperatur dargestellt.
Der Messwert des Kupfer-Leadframes ohne Aufbau zeigt den Literaturwert von Kupfer (117 mm²/s [1]).
Die Temperaturleitfähigkeiten der baugleichen Halbleiterbauelemente A-1 und A-2 unterscheiden sich kaum voneinander, wodurch die gute Reproduzierbarkeit der Messung ersichtlich wird (grün).
Dagegen weisen die Halbleiterbauelemente B-1 und B-2 durch die Verwendung eines anderen Verbindungsmaterials eine deutlich niedrigere TemperaturleitfähigkeitDie Temperaturleitfähigkeit (a mit der Einheit mm2/s) ist eine materialabhängige Stoffeigenschaft zur Charakterisierung des instationären Wärmetransports. Sie gibt an, wie schnell ein Material auf eine Temperaturänderung reagiert.Temperaturleitfähigkeit auf (rot). Vergleicht man die beiden Bauteile B-1 und B-2, zeigt sich auch hier wieder eine gute Reproduzierbarkeit der Messergebnisse. Der Unterschied von ca. 5 % lässt auf einen höheren KontaktwiderstandNach dem zweiten Gesetz der Thermodynamik verläuft die Wärmeübertragung zwischen zwei Systemen immer in Richtung von höheren zu niedrigeren Temperaturen. Die Menge an thermischer Energie, die durch Wärmeleitung, z.B. durch eine Gebäudewand, übertragen wird, wird durch die thermischen Widerstände der Betonwand und der Dämmschicht beeinflusst.Kontaktwiderstand von B-2 und somit auf eine schlechtere thermische Anbindung des Si-Chips an das Kupfer schließen.
Zusammenfassung
Mittels LFA 467 HyperFlash® mit ZoomOptics können kleine Proben oder auch nur bestimmte Bereiche einer Probe untersucht werden. Randbereiche oder Bereiche mit unterschiedlicher Probendicke können so gezielt ausgeschlossen werden. Dadurch werden die Messgenauigkeit sowie die Aussagekraft der Messung deutlich erhöht.