DE102011083224A1 - Thermal paste useful in power electronics, comprises thermochromic paint components, whose color changes with temperature - Google Patents

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Abstract

Thermal paste (5) comprises the thermochromic paint components, whose color changes with temperature. Independent claims are also included for: (1) a power semiconductor device comprising a power semiconductor module (100) having a bottom side, which is formed as a heat dissipating contact surface (101), on which a layer of a thermal paste is applied; (2) applying the thermal paste on the power semiconductor module, comprising providing the power semiconductor module having the heat dissipating contact surface, providing the thermal paste formed as mentioned above, and applying the thermal paste on heat dissipating contact surface as a thin, structured, or unstructured layer; and (3) determining operating temperature reached during operation of the power semiconductor module, comprising providing the power semiconductor module, which has previously passed through an operational phase and for this purpose an electric voltage is supplied and the heat dissipating contact surface, on which the thermal paste is applied, which is already applied during the operation of the power semiconductor module on the heat dissipating contact surface, and having at least one type of thermochromic paint component, which at room temperature have characteristic first color for this variety, and assume the characteristic second color irreversible, when the temperature exceeds the characteristic temperature of first color, and determining the maximum temperature reached during the thermal grease based on the color of thermal paste.

Description

Die Erfindung betrifft eine Wärmeleitpaste. Insbesondere in der Leistungselektronik ist es häufig erforderlich, Baugruppen wie z.B. Leistungshalbleitermodule großflächig über einen Kühlkörper zu kühlen. Hierbei muss eine Wärmeableitkontaktfläche der Baugruppe mit einem möglichst niedrigen Wärmeübergangswiderstand mit einer Kontaktfläche des Kühlkörpers thermisch gekoppelt werden.The invention relates to a thermal paste. In particular, in power electronics, it is often necessary to have assemblies such as e.g. Cool power semiconductor modules over a large heat sink. In this case, a heat-dissipating contact surface of the assembly with the lowest possible heat transfer resistance must be thermally coupled to a contact surface of the heat sink.

Um unvermeidliche Unebenheiten der beteiligten Kontaktflächen des Leistungshalbleitermoduls und des Kühlkörpers auszugleichen, wird zwischen diese häufige eine Wärmeleitpaste eingebracht. Gleichwohl kann es im Bereich der Wärmekontaktflächen lokal zu einem schlechten Wärmekontakt und damit einhergehend zu einer Überhitzung der in diesem Bereich befindlichen Halbleiterchips des Leistungshalbleitermoduls kommen. Im günstigsten Fall reduziert sich hierdurch die Lebensdauer dieser Halbleiterchips, im ungünstigsten Fall kommt es sogar zum quasi-sofortigen Totalausfall. Daher dürfen solche Leistungshalbleitermodule nur mit herstellerseitig vorgeschriebenen Maximaltemperaturen betrieben werden. Nach einem eventuellen Ausfall eines Leistungshalbleitermoduls ist es jedoch häufig kaum festzustellen, ob die vorgeschriebenen Temperaturobergrenzen eingehalten wurden.To compensate for unavoidable unevenness of the participating contact surfaces of the power semiconductor module and the heat sink, a thermal paste is introduced between these frequent. Nevertheless, in the area of the thermal contact surfaces, there may be a poor thermal contact locally and, as a result, an overheating of the semiconductor chips of the power semiconductor module located in this region. In the best case, this reduces the life of these semiconductor chips, in the worst case, there is even a quasi-instantaneous total failure. Therefore, such power semiconductor modules may only be operated with maximum temperatures prescribed by the manufacturer. After a possible failure of a power semiconductor module, however, it is often difficult to determine whether the prescribed upper temperature limits were met.

Dieses Problem soll mit der vorliegenden Erfindung gelöst werden. Hierzu stellt die Erfindung eine Wärmeleitpaste gemäß Patentanspruch 1, eine Leistungshalbleiteranordnung gemäß Patentanspruch 8, sowie Verfahren zum Ermitteln der beim Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls erreichten Betriebstemperatur gemäß den Patentansprüchen 13 und 14 bereit. Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand von Unteransprüchen.This problem is to be solved with the present invention. For this purpose, the invention provides a thermal compound according to claim 1, a power semiconductor device according to claim 8, and method for determining the operating temperature reached during operation of a power semiconductor module according to claims 13 and 14 ready. Embodiments and developments of the invention are the subject of dependent claims.

Die Erfindung sieht unter anderem eine Wärmeleitpaste vor, die zumindest einen thermochromen Farbbestandteil enthält, dessen Farbe sich mit der Temperatur der Wärmeleitpaste kontinuierlich oder aber sprunghaft bei einer bestimmten Umschlagtemperatur ändert. Solche Farbänderungen können reversibel oder irreversibel sein. Der Farbumschlag kann dabei von farbig nach farblos, von farblos nach farbig und von einer Farbe in eine andere Farbe erfolgen, wobei im Sinne der vorliegenden Anmeldung auch Graustufen einschließlich Weiß und Schwarz als "farbig" angesehen werden.The invention provides, inter alia, a thermal paste which contains at least one thermochromic color component whose color changes continuously with the temperature of the thermal compound or at a certain temperature at a certain temperature. Such color changes may be reversible or irreversible. The color change can take place from color to colorless, from colorless to color and from one color to another color, gray levels including white and black also being considered "colored" for the purposes of the present application.

Dabei kann eine Wärmeleitpaste ausschließlich eine oder mehrere Sorten thermochromer Farbbestandteile enthalten, die temperaturabhängig reversible Farbänderungen zeigen. Ebenso kann eine Wärmeleitpaste nur solche Sorten von thermochromen Farbbestandteilen enthalten, die, wenn ihre Temperatur eine für die betreffende Sorte charakteristische Temperatur überschreitet, irreversible Farbänderungen zeigen. Außerdem kann eine Wärmeleitpaste in beliebigen Kombinationen sowohl eine oder mehrere Sorten thermochromer Farbbestandteile aufweisen, von denen jeder reversibel thermochrome Eigenschaften besitzt, als auch eine oder mehrere Sorten thermochromer Farbbestandteile, von denen jeder irreversibel thermochrome Eigenschaften zeigt.In this case, a thermal compound containing only one or more types of thermochromic color components that show temperature-dependent reversible color changes. Likewise, a thermal paste may contain only those varieties of thermochromic color components which, when their temperature exceeds a characteristic temperature for the variety in question, exhibit irreversible color changes. In addition, a thermal grease in any combination may include one or more types of thermochromic paint components, each having reversibly thermochromic properties, as well as one or more types of thermochromic paint components, each of which exhibits irreversibly thermochromic properties.

Falls eine Wärmeleitpaste zwei oder mehr Sorten von thermochromen Farbbestandteilen enthält, ergibt sich bei ausreichendem Vermischungsgrad dieser Farbbestandteile in der Wärmeleitpaste eine von der aktuellen und/oder von der maximal erreichten Temperatur abhängige Mischfarbe.If a thermal compound contains two or more types of thermochromic color components, a sufficient degree of mixing of these color components in the thermal compound results in a mixed color dependent on the current and / or the maximum temperature reached.

Mit Hilfe derartiger Wärmeleitpasten besteht daher die Möglichkeit, anhand der Farbe der Wärmeleitpaste Rückschlüsse auf die aktuelle oder auf die maximal erreichte Temperatur der Farbbestandteile zu ziehen und damit auch bis zu einem gewissen Grad auf die entsprechende Temperatur des gekühlten Bauelements oder der gekühlten Baugruppe. Da eine Wärmeleitpaste zwischen einer Wärmeableitkontaktfläche eines zu kühlenden Bauelements oder einer zu kühlenden Baugruppe einerseits und einer Kontaktfläche eines Kühlkörpers andererseits angeordnet und dadurch verdeckt ist, sind in der Praxis vor allem Farbbestandteile mit irreversibel thermochromen Eigenschaften relevant. Mit ihnen lässt sich nämlich auch nach dem Betrieb eines Bauelements oder einer Baugruppe, wenn also die das Bauelement oder die Baugruppe nach dem Betrieb wieder z.B. auf Raumtemperatur (20°C) abgekühlt ist und vom Kühlkörper abgenommen wird, nachträglich ermitteln, ob und welche Temperatur der Wärmeleitpaste während des Betriebs überschritten wurde. Durch eine Mischung verschiedener Sorten von Farbbestandteilen, von denen jeder Farbbestandteil eine andere charakteristische Temperatur besitzt, bei deren Überschreiten eine irreversible Farbveränderung auftritt, lässt sich jeder (Misch-)Farbe der Wärmeleitpaste ein Temperaturbereich zuordnen. Auf diese Weise lässt bei ausreichend geringen Abständen der für die verschiedenen Sorten charakteristischen Temperaturen die erreichte Temperatur recht genau ermitteln.With the help of such heat-conducting pastes, therefore, it is possible to draw conclusions on the current or to the maximum temperature of the color components based on the color of the thermal paste and thus also to a certain extent to the corresponding temperature of the cooled component or the cooled assembly. Since a thermal compound between a Wärmeableitkontaktfläche a component to be cooled or a component to be cooled on the one hand and a contact surface of a heat sink on the other hand arranged and thereby covered, in practice, especially color components with irreversible thermochromic properties relevant. In fact, even after the operation of a component or an assembly, that is, when the component or assembly is restored after operation, e.g. cooled to room temperature (20 ° C) and removed from the heat sink, subsequently determine whether and which temperature of the thermal paste was exceeded during operation. By a mixture of different types of color components, each of which color component has a different characteristic temperature, when an irreversible color change occurs, each (mixed) color of the thermal compound can be assigned a temperature range. In this way, with sufficiently small distances of the characteristic temperatures for the different varieties, the temperature reached can be determined quite accurately.

Eine Wärmeleitpaste gemäß der vorliegenden Erfindung kann beispielsweise thermochrome Farbbestandteile enthalten, die bei Raumtemperatur eine erste Farbe aufweisen und die reversibel oder irreversibel eine von der ersten Farbe verschiedene zweite Farbe annehmen, wenn die Temperatur dieser Farbbestandteile eine Temperatur von 110°C oder 130°C oder 150°C überschreitet. Die Variante "110°C" kann beispielsweise bei der Kühlung von Leistungshalbleitermodulen eingesetzt werden, deren Halbleiterbauelemente eine maximal zulässige Sperrschichttemperatur TJmax von 125°C aufweisen, die Variante "130°C" beispielsweise bei der Kühlung von Leistungshalbleitermodulen, deren Halbleiterbauelemente eine maximal zulässige Sperrschichttemperatur TJmax von 150°C aufweisen, und die Variante "150°C" beispielsweise bei der Kühlung von Leistungshalbleitermodulen, deren Halbleiterbauelemente eine maximal zulässige Sperrschichttemperatur TJmax von 175°C aufweisen. Die lediglich beispielhaft genannten Zuordnungen zwischen der Temperatur der Farbbestandteile und der maximal zulässigen Sperrschichttemperatur der Halbleiterbauelemente ist jedoch nicht zwingend, da eine bestimmte Sperrschichttemperatur bei mit einem Kühlkörper thermisch gekoppelten Leistungshalbleitermodul am Ort der Wärmeleitpaste eine Temperatur hervorrufen kann, die unter anderem von der Geometrie des Leistungshalbleitermoduls und dem Kühlvermögen des Kühlkörpers abhängt und daher variieren kann.A thermally conductive paste according to the present invention may contain, for example, thermochromic color components which have a first color at room temperature and which reversibly or irreversibly assume a second color other than the first color when the temperature of these color components is at 110.degree. C. or 130.degree Exceeds 150 ° C. The variant "110 ° C" can be used, for example, in the cooling of power semiconductor modules are the semiconductor devices have a maximum permissible junction temperature TJmax of 125 ° C, the variant "130 ° C", for example, in the cooling of power semiconductor modules whose semiconductor devices have a maximum permissible junction temperature TJmax of 150 ° C, and the variant "150 ° C" for example, in the cooling of power semiconductor modules whose semiconductor components have a maximum permissible junction temperature TJmax of 175 ° C. However, the associations between the temperature of the color constituents and the maximum permissible junction temperature of the semiconductor components are not compulsory, since a certain junction temperature at a thermally coupled power semiconductor module at the location of the thermal compound can cause a temperature which depends, inter alia, on the geometry of the power semiconductor module and the cooling capacity of the heat sink and therefore may vary.

In der Praxis ist beim Betrieb eines Bauelements oder einer Baugruppe die Wärmeverteilung über dessen bzw. über deren Wärmeableitkontaktfläche inhomogen, so dass anhand der Farbverteilung die erreichte Temperatur sogar ortsaufgelöst ermittelt werden kann. Auf diese Weise können z.B. Lunker in Lotschichten festgestellt werden, da die Wärmeübertragung über die Lotschicht im Bereich von Lunkern reduziert wird, d. h. die unterhalb eines Lunkers befindlichen Bereiche der Wärmeleitpaste werden nicht so stark erhitzt wie die an den Lunker angrenzenden Bereiche.In practice, during the operation of a component or assembly, the heat distribution is inhomogeneous via its or via its heat dissipation contact surface, so that the achieved temperature can even be determined spatially resolved based on the color distribution. In this way, e.g. Lunker be detected in solder layers, since the heat transfer through the solder layer is reduced in the area of voids, d. H. the areas of the thermal paste located below a voids are not heated as much as the areas adjacent to the voids.

In jedem Fall muss die Wärmeleitpaste, bevor eine Temperaturbestimmung anhand ihrer Farbe durchgeführt wird, zuvor kalibriert werden. Das heißt, es muss eine Korrelation zwischen der Temperatur der Wärmeleitpaste und damit auch der Temperatur der Farbbestandteile einerseits und der Farbe der Farbbestandteile und damit auch der Farbe der Wärmeleitpaste andererseits ermittelt werden. Hierbei ist zu berücksichtigen, dass eine Wärmeleitpaste, wenn sie Farbbestandteile mit irreversibel thermochromen Eigenschaften enthält, bei zwei Farbbestimmungen, die bei derselben Temperatur durchgeführt werden, unterschiedliche Farben zeigen kann, wenn die Temperatur der Wärmeleitpaste zwischen den beiden Farbbestimmungen auf eine Temperatur erhöht wurde, die höher ist, als eine Temperatur, bei deren Überschreiten bei zumindest einer Sorte der Farbbestandteile eine dauerhafte, d. h. irreversible Farbveränderung auftritt.In any case, the thermal grease must be calibrated in advance, before temperature is determined by its color. That is, it must be determined a correlation between the temperature of the thermal paste and thus the temperature of the paint components on the one hand and the color of the paint components and thus the color of the thermal paste on the other. It should be noted that a thermal grease, if it contains paint constituents with irreversible thermochromic properties, for two color determinations carried out at the same temperature, may show different colors if the temperature of the thermal grease between the two color determinations has been raised to a temperature is higher than a temperature at which, if exceeded, at least one kind of the color components has a lasting, d. H. irreversible color change occurs.

Um gute Wärmetransporteigenschaften aufzuweisen ist es außerdem vorteilhaft, wenn die Wärmeleitpaste bei einer Temperatur von 100°C eine hohe Wärmeleitfähigkeit, beispielsweise von mehr als 0,9 W/(m·K), von mehr als 3 W/(m·K) oder von mehr als 10 W/(m·K), besitzt.In order to have good heat transfer properties, it is also advantageous if the thermal paste at a temperature of 100 ° C, a high thermal conductivity, for example, more than 0.9 W / (m · K), of more than 3 W / (m · K) or of more than 10 W / (m · K).

Außerdem ist es vorteilhaft, wenn die Viskosität der Wärmeleitpaste ein einfaches Auftragen auf eine Wärmeableitkontaktfläche eines zu kühlenden Bauelements oder einer zu kühlenden Baugruppe erlaubt.Moreover, it is advantageous if the viscosity of the thermal compound allows a simple application to a Wärmeableitkontaktfläche a component to be cooled or an assembly to be cooled.

Mit Hilfe einer vorangehend erläuterten Wärmeleitpaste lässt sich damit auch nachträglich, d. h. nach dem Betrieb eines Bauelements oder einer Baugruppe feststellen, ob das Bauelement oder die Baugruppe unterhalb einer vorgeschriebenen Temperaturhöchstgrenze betrieben wurde oder nicht. Ebenso lässt es sich z.B. feststellen, ob eine Wärmeableitkontaktfläche homogen an die Kontaktfläche eines Kühlkörpers angekoppelt war.With the help of a previously explained thermal paste can thus also subsequently, d. H. After operation of a component or assembly, determine whether or not the component or assembly has operated below a prescribed maximum temperature limit. Likewise, it can be e.g. determine if a heat dissipation contact surface was homogeneously coupled to the contact surface of a heat sink.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf Figuren näher erläutert. In den Figurenbezeichnen, soweit nicht anders angegeben, gleiche Figuren gleiche Elemente mit gleicher oder äquivalenter Funktion. Es zeigt:The invention will be explained in more detail by means of embodiments with reference to figures. In the figures, unless stated otherwise, like figures denote like elements having the same or equivalent function. It shows:

1 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, auf dessen Bodenplatte mit einer Wärmeleitpaste versehen ist, die irreversibel thermochrome Farbbestandteile enthält, das mit einem Kühlkörper in thermischen Kontakt gebracht wird; 1 a vertical section through a power semiconductor module, is provided on the bottom plate with a thermal paste containing irreversibly thermochromic color components, which is brought into thermal contact with a heat sink;

2 eine Draufsicht auf die mit der Wärmeleitpaste versehene Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls gemäß 1; 2 a plan view of the provided with the thermal paste bottom plate of the power semiconductor module according to 1 ;

3 eine Draufsicht auf die Bodenplatte eines Leistungshalbleitermoduls, auf die eine Wärmeleitpaste, die irreversibel thermochrome Farbbestandteile enthält, mit wabenförmiger Struktur aufgetragen ist; 3 a plan view of the bottom plate of a power semiconductor module, on which a thermal paste containing irreversibly thermochromic color components, is applied with honeycomb structure;

4 einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul, das mit einem Kühlkörper in thermischen Kontakt gebracht wird, wobei die Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls als Mehrschicht-Keramiksubstrat ausgebildet ist, auf das eine Wärmeleitpaste mit irreversibel thermochromen Farbbestandteilen aufgebracht ist; 4 a vertical section through a power semiconductor module, which is brought into thermal contact with a heat sink, wherein the bottom plate of the power semiconductor module is formed as a multi-layer ceramic substrate, on which a thermal paste is applied with irreversibly thermochromic color components;

5 die Ansicht gemäß 2 nach längerem Betrieb des Leistungshalbleitermoduls; 5 the view according to 2 after prolonged operation of the power semiconductor module;

6 die Ansicht gemäß 5 mit dem Unterschied, dass die Verbindungsschicht zwischen einem der Halbleiterchips und dem Substrat, auf dem dieser Halbleiterchip montiert ist, einen Lunker aufweist. 6 the view according to 5 with the difference that the connection layer between one of the semiconductor chips and the substrate on which this semiconductor chip is mounted has a voids.

Im Folgenden wird zunächst beispielhaft eine Grundzusammensetzung für eine Wärmeleitpaste beschrieben. Eine Wärmeleitpaste kann ein Matrixmaterial aufweisen, in das ein oder mehrere wärmeleitende Füllstoffe eingebettet sind. Als Matrixmaterialien eignen sich beispielsweise Öle, Harze oder Fette, oder darauf basierenden Pasten mit zumindest z.B. Epoxidharz, Vaseline, Pasten basierend auf Silikonöl, oder Pasten auf Basis von Polypropylenglycol. Als wärmeleitender Füllstoff können z.B. Pulver mit einem oder mehreren der folgenden Materialien verwendet werden: Diamant, Kupfer, Aluminium, Silber, Zinkoxid, Berylliumoxid, Bornitrid, Al-Nitrid, Si-Nitrid Al-Oxid. Während durch die Verwendung von wärmeleitenden Füllstoffen eine möglichst hohe Wärmeleitfähigkeit der Wärmeleitpaste erreicht werden soll, dient das Matrixmaterial dazu, die Füllstoffe zu binden. Je nach Anwendungsgebiet kann die Verwendung bestimmter Materialen als Matrix- bzw. als Füllmaterial vorteilhaft sein. So kann es beispielsweise gewünscht sein, dass die Wärmeleitpaste elektrisch isolierend ist oder zumindest einen hohen elektrischen Widerstand aufweist. Hierzu kann es z.B. vorteilhaft sein, nur elektrisch nicht leitende oder hochohmige Materialien als Füllstoff zu verwenden, oder im Fall von elektrisch leitenden oder niederohmigen Materialien die Körner des Pulvers aus diesen Materialien mit einer nicht leitenden Schicht zu überziehen. Bei der nicht leitenden Schicht kann es sich beispielsweise um eine Oxidschicht aus dem Oxid des betreffenden Materials handeln. Die Wärmeleitpaste wird durch Herstellen einer homogenen Mischung aus dem Matrixmaterial, einem wärmeleitenden Füllstoffpulver, sowie einem Pulver mit thermochromen Eigenschaften erzeugt, wobei die thermochromen Eigenschaften reversibel oder irreversibel sein können. Außerdem kann ein Pulver mit thermochromen Eigenschaften sowohl einen Pulveranteil aufweisen, der reversibel thermochrome Eigenschaften besitzt, als auch einen Pulveranteil mit irreversibel thermochromen Eigenschaften. An example of a basic composition for a thermal compound is described below by way of example. A thermal paste may comprise a matrix material in which one or more thermally conductive fillers are embedded. Suitable matrix materials are, for example, oils, resins or fats, or pastes based thereon with at least, for example, epoxy resin, Vaseline, pastes based on silicone oil, or pastes based on polypropylene glycol. As the heat-conductive filler, for example, powders having one or more of the following materials may be used: diamond, copper, aluminum, silver, zinc oxide, beryllium oxide, boron nitride, Al nitride, Si nitride, Al oxide. While the highest possible thermal conductivity of the thermal compound is to be achieved by the use of thermally conductive fillers, the matrix material serves to bind the fillers. Depending on the field of application, the use of certain materials as a matrix or as a filler material may be advantageous. Thus, it may be desired, for example, that the thermal compound is electrically insulating or at least has a high electrical resistance. For this purpose, it may be advantageous, for example, to use only electrically non-conductive or high-resistance materials as filler, or in the case of electrically conductive or low-resistance materials to coat the grains of the powder of these materials with a non-conductive layer. The non-conductive layer may be, for example, an oxide layer of the oxide of the material in question. The thermal paste is produced by producing a homogeneous mixture of the matrix material, a thermally conductive filler powder, and a powder with thermochromic properties, wherein the thermochromic properties may be reversible or irreversible. In addition, a powder with thermochromic properties can have both a powder content that has reversibly thermochromic properties, as well as a powder content with irreversible thermochromic properties.

Bei einem thermochromen Farbbestandteil kann es sich beispielsweise um eine Dreikomponenten-Mischung mit mindestens einem Elektronendonator, mindestens einem Elektrononenakzeptor und mindestens einem Lösungsmittel handeln.A thermochromic color component can be, for example, a three-component mixture having at least one electron donor, at least one electron acceptor and at least one solvent.

Bei dem Elektronendonator handelt es sich z.B. um einen elektronenreichen organischen Farbstoff handeln, beispielsweise um einen Leukofarbstoff. Als Leukofarbstoffe können unter anderem Spirolactone, Fluorane, Spiropyrane oder Fulgide eingesetzt.The electron donor is e.g. to be an electron-rich organic dye, for example, a leuco dye. As leuco dyes can be used, inter alia, spirolactones, fluorans, spiropyrans or fulgides.

Als Elektronenakzeptor eignet sich zum Beispiel eine schwache Säure, z.B. Bisphenol A, Alkyl-p-hydroxybenzoat, 1,2,3-Triazol oder 4-Hydroxycoumarin.As the electron acceptor, for example, a weak acid, e.g. Bisphenol A, alkyl p-hydroxybenzoate, 1,2,3-triazole or 4-hydroxycoumarin.

Als Lösungsmittel wird bevorzugt ein polares Lösungsmittel, beispielsweise ein Alkohol, ein Keton, ein Ester oder ein Ether eingesetzt.The solvent used is preferably a polar solvent, for example an alcohol, a ketone, an ester or an ether.

Die drei Komponenten – Elektronenakzeptor, Elektronendonator und Lösungsmittel – können gemeinsam mikroverkapselt sein, beispielsweise mit Gelatine.The three components - electron acceptor, electron donor and solvent - may be microencapsulated together, for example with gelatin.

Je nach gewünschtem Farbeffekt können geeignete Komponenten kombiniert werden. Selbstverständlich ist es auch möglich, Mischungen verschiedener Elektronenakzeptoren und/oder Elektronendonatoren und/oder Lösungsmitteln einzusetzen. Ebenso können unterschiedliche mikroverkapselte, Dreikomponenten-Mischungen vermengt werden.Depending on the desired color effect suitable components can be combined. Of course, it is also possible to use mixtures of different electron acceptors and / or electron donors and / or solvents. Likewise, different microencapsulated, three-component mixtures can be mixed.

Ergänzend zu Materialien, die bei einer bestimmten charakteristischen Temperatur einen signifikanten Farbwechsel zeigen, können auch Materialien verwendet werden, deren Farbe sich mit der Temperatur kontinuierlich oder quasi-kontinuierlich ändert.In addition to materials that show a significant color change at a certain characteristic temperature, it is also possible to use materials whose color changes continuously or quasi-continuously with temperature.

Im Weiteren werden verschiedene Anwendungen einer Wärmeleitpaste mit thermochromen Eigenschaften, wie sie vorangehend beschrieben wurde, am Beispiel von Leistungshalbleitermodulen erläutert, die einen oder mehrere Leistungshalbleiterchips enthalten, von denen jeder beim Betrieb des Moduls eine signifikante Wärmeentwicklung zeigt. Anders als einfache elektronische Bauelemente weisen Leistungshalbleitermodule eine sehr große Wärmeableitkontaktfläche mit beispielsweise mehr als 2 cm × 3 cm auf. Aufgrund der daraus resultierenden großen Kontaktfläche sowie aufgrund der vor allem lokal unterhalb der Leistungshalbleiterchips auftretenden Erwärmung des Moduls und damit auch der Wärmeleitpaste kann es innerhalb der Wärmeleitpaste zu einer starken Variation der Temperaturverteilung kommen.In the following, various applications of a thermal paste with thermochromic properties, as described above, are explained using the example of power semiconductor modules containing one or more power semiconductor chips, each of which exhibits significant heat development during operation of the module. Unlike simple electronic components, power semiconductor modules have a very large heat dissipation contact area with, for example, more than 2 cm × 3 cm. Due to the resulting large contact area as well as due to the heating of the module, and thus also of the thermal compound, which occurs primarily locally below the power semiconductor chips, a strong variation in the temperature distribution can occur within the thermal compound.

1 zeigt einen Querschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100. Dieses Leistungshalbleitermodul 100 umfasst mindestens einen Leistungshalbleiterchip 31, 32. Bei den Leistungshalbleiterchips 31 kann es sich beispielsweise um steuerbare Leistungshalbleiterschalter wie Transistoren, IGBTs, MOSFETs, J-FETs, Thyristoren oder beliebige andere Leistungshalbleiterbauelemente wie z.B. Dioden handeln. Grundsätzlich weist das Leistungshalbleitermodul 100 mindestens einen zu kühlenden Leistungshalbleiterchip 31, 32 auf. 1 shows a cross section through a power semiconductor module 100 , This power semiconductor module 100 includes at least one power semiconductor chip 31 . 32 , In the power semiconductor chips 31 For example, they may be controllable power semiconductor switches such as transistors, IGBTs, MOSFETs, J-FETs, thyristors, or any other power semiconductor devices such as diodes. Basically, the power semiconductor module has 100 at least one power semiconductor chip to be cooled 31 . 32 on.

In dem vorliegenden Beispiel sind die Leistungshalbleitechips 31, 32 paarweise auf jeweils einem Schaltungsträger 2 angeordnet. Hierzu weisen die Schaltungsträger 2 einen Isolationsträger 20 auf, sowie eine auf diesen aufgebrachte oberseitige Metallisierung 21, die zu Leiterbahnen und/oder Leiterflächen strukturiert ist. Die Leistungshalbleiterchips 31, 32 sind großflächig mit der oberseitigen Metallisierung 21 verbunden, um die Leistungshalbleiterchips 31, 32 sowohl mit geringem elektrischen als auch mit einem geringen thermischen Widerstand an die oberseitige Metallisierung 21 anzuschließen. Hierzu sind Verbindungsschichten 3 vorgesehen, die zwischen der oberseitigen Metallisierung 21 des betreffenden Isolationsträgers 20 und dem zugehörigen Leistungshalbleiterchip 31 bzw. 32 angeordnet sind. Um die Oberseiten der Leistungshalbleiterchips 31, 32 und weitere Abschnitte der oberen Metallisierung 21 elektrisch anzuschließen sind außerdem Bonddrähte 30 vorgesehen. Alternativ oder ergänzend zu Bonddrähten 30 könnten jedoch auch Strukturen wie z.B. Verbindungsbleche oder flexible Leiterplatten vorgesehen sein, die den betreffenden Leistungshalbleiterchip 31, 32 bzw. den betreffenden Abschnitt der oberen Metallisierung 21 stoffbündig druckkontaktieren oder die mit dem betreffenden Leistungshalbleiterchip 31, 32 bzw. dem betreffenden Abschnitt der oberen Metallisierung 21 stoffschlüssig verbunden sind.In the present example, the power half-chips are 31 . 32 in pairs on each circuit carrier 2 arranged. For this purpose, the circuit carrier 2 an insulation carrier 20 on, as well as applied to this topside metallization 21 leading to printed conductors and / or Conductor surfaces is structured. The power semiconductor chips 31 . 32 are large with the topside metallization 21 connected to the power semiconductor chips 31 . 32 with low electrical as well as low thermal resistance to the topside metallization 21 to join. These are tie layers 3 provided between the topside metallization 21 of the relevant insulation carrier 20 and the associated power semiconductor chip 31 respectively. 32 are arranged. Around the tops of the power semiconductor chips 31 . 32 and further sections of the upper metallization 21 To connect electrically are also bonding wires 30 intended. Alternatively or in addition to bonding wires 30 However, structures such as connecting plates or flexible printed circuit boards could be provided which the respective power semiconductor chip 31 . 32 or the relevant section of the upper metallization 21 flush with the material or with the respective power semiconductor chip 31 . 32 or the relevant section of the upper metallization 21 are connected cohesively.

Auf ihrer der oberseitigen Metallisierung 21 abgewandten Unterseite weisen die Schaltungsträger 2 eine auf den Isolationsträger 20 aufgebrachte unterseitige Metallisierung 22 auf. Die Schaltungsträger 2 sind mittels weiterer Verbindungsschichten 4 mit einer metallischen Bodenplatte 1 des Leistungshalbleitermoduls 100 flächig verbunden und damit thermisch gut leitend an diese gekoppelt.On her the topside metallization 21 opposite bottom have the circuit carrier 2 one on the insulation carrier 20 applied underside metallization 22 on. The circuit carrier 2 are by means of further connecting layers 4 with a metallic base plate 1 of the power semiconductor module 100 connected flat and thus thermally well coupled to this.

Bei den Isolationsträgern 20 kann es sich z.B. um dünne Keramikplättchen, beispielsweise aus Aluminiumoxid (Al2O3), Aluminiumnitrid (AlN) oder aus Siliziumnitrid (Si3N4) handeln. Die Metallisierungen 21, 22 bestehen aus niederohmigem Material, z.B. aus Kupfer oder aus Aluminium, oder aus Legierungen mit zumindest einem dieser Stoffe. Die Schaltungsträger 2 können insbesondere als DCB-Substrate (DCB = Direct Copper Bonding), als DAB-Substrate (DAB = Direct Aluminum Bonding) oder als AMB-Substrate (AMB = Active Metal Brazing) ausgebildet sein.With the insulation carriers 20 they may be, for example, thin ceramic platelets, for example of aluminum oxide (Al 2 O 3 ), aluminum nitride (AlN) or of silicon nitride (Si 3 N 4 ). The metallizations 21 . 22 consist of low-resistance material, such as copper or aluminum, or alloys with at least one of these substances. The circuit carrier 2 In particular, they can be formed as DCB substrates (DCB = Direct Copper Bonding), as DAB substrates (DAB = Direct Aluminum Bonding) or as AMB substrates (AMB = Active Metal Brazing).

Die Verbindungsschichten 3 und/oder 4 können beispielsweise aus einem Lot oder einem elektrisch leitfähigem Klebstoff gebildet sein. Ebenso sind Verbindungsschichten 3 und/oder 4 möglich, die als NTV-Verbindungen (NTV = Niedertemperaturverbindung) ausgebildet sind, bei denen eine silberhaltige und mit einem Lösungsmittel versehene Paste zwischen die miteinander zu verbindenden Fügepartner eingebracht und die Fügepartner dann mit hohem Druck und bei einer im Vergleich zu üblichen Löttemperaturen geringen Temperatur aneinander gepresst werden.The connecting layers 3 and or 4 For example, they may be formed from a solder or an electrically conductive adhesive. Likewise, tie layers 3 and or 4 possible, which are designed as NTV compounds (NTV = low-temperature connection) in which a silver-containing and provided with a solvent paste between the joint partners to be joined introduced and the joining partners then at high pressure and at a low compared to conventional soldering temperatures temperature to each other be pressed.

Das Leistungshalbleitermodul 100 weist weiterhin ein Gehäuse 50 mit Seitenwänden 51 und einem optionalen Gehäusedeckel 52 auf, die zusammen mit der Bodenplatte 1 das Gehäuse des Moduls 100 bilden. Die Seitenwände 51 können einen geschlossenen Rahmen bilden, der die Substrate 2 des Moduls 100 ringförmig umschließt. Der Gehäusedeckel 52 kann mit den Seitenwänden 51 fest und optional abnehmbar verbunden sein. Ebenso können der Gehäusedeckel 52 und die Seitenwände 51 einstückig ausgebildet sein.The power semiconductor module 100 also has a housing 50 with side walls 51 and an optional housing cover 52 on that together with the bottom plate 1 the housing of the module 100 form. The side walls 51 can form a closed frame that supports the substrates 2 of the module 100 encloses annularly. The housing cover 52 can with the side walls 51 firmly and optionally detachably connected. Similarly, the housing cover 52 and the side walls 51 be formed integrally.

Weiterhin umfasst das Leistungshalbleitermodul 100 elektrische Anschlüsse 33, 34, 35, 36, 37, 38, von denen die Anschlüsse 33 und 34 als Lastanschlüsse ausgebildet sind, über die ein Laststrom des Moduls 100 fließt und die deshalb eine höhere Stromtragfähigkeit aufweisen als die Anschlüsse 35, 36, 37 und 38, bei denen es sich z.B. um Steueranschlüsse handeln kann, mittels denen die steuerbaren Leistungshalbleiterbauelemente 31 ein- und ausgeschaltet werden können. Die Lastanschlüsse 33, 34 sind mittels einer modulinternen Verschienung 39 elektrisch leitend mit bestimmten der Leistungshalbleiterbauelemente 31, 32 verbunden.Furthermore, the power semiconductor module comprises 100 electrical connections 33 . 34 . 35 . 36 . 37 . 38 of which the connectors 33 and 34 are formed as load terminals, via which a load current of the module 100 flows and therefore have a higher current carrying capacity than the terminals 35 . 36 . 37 and 38 which may be, for example, control terminals, by means of which the controllable power semiconductor components 31 can be switched on and off. The load connections 33 . 34 are by means of a module-internal busbar 39 electrically conductive with certain of the power semiconductor devices 31 . 32 connected.

In dem vorliegenden Beispiel weist das Leistungshalbleitermodul 100 außerdem eine optionale Steuerplatine 53 auf, die mit einer nicht dargestellten Steuerelektronik bestückt sein kann, und die intelligente Funktionen enthalten kann wie z.B. eine Schutzabschaltung des Moduls im Fehlerfall. Zur Erhöhung der Isolationsfestigkeit des Moduls 100 ist der Innenraum des Gehäuses 1, 50 mit einer optionalen Weichvergussmasse 54, beispielsweise einem Silikongel, vergossen, die sich von der Oberseite der Bodenplatte 1 bis über die Leistungshalbleiterchips 31, 32 und die Bonddrähte 30 erstreckt. Oberhalb der Weichvergussmasse 54 kann außerdem eine optionale Hartvergussmasse 55, z.B. auf Epoxidharzbasis, vorgesehen sein.In the present example, the power semiconductor module 100 also an optional control board 53 on, which may be equipped with an unrepresented control electronics, and may contain intelligent functions such as a protective shutdown of the module in case of failure. To increase the insulation resistance of the module 100 is the interior of the case 1 . 50 with an optional soft grout 54 For example, a silicone gel, potted, extending from the top of the bottom plate 1 to about the power semiconductor chips 31 . 32 and the bonding wires 30 extends. Above the soft grout 54 also has an optional hard grout 55 , Eg epoxy resin-based, be provided.

Über die Verbindungsschichten 3 und 4 sowie die Schaltungsträger 2 sind die Leistungshalbleiterchips 31, 32 thermisch gut an die Bodenplatte 1 angekoppelt. Die den Leistungshalbleiterchips 31, 32 abgewandte Unterseite 102 der Bodenplatte 1 bildet zugleich eine erste thermische Kontaktfläche 101, über die die in den Leistungshalbleiterchips 31, 32 anfallende Verlustwärme zu einem Kühlkörper 200 hin abgeführt werden soll. Hierzu weist der Kühlkörper 200 ebenfalls eine thermische Kontaktfläche 201 auf, die nachfolgend als zweite thermische Kontaktfläche 201 bezeichnet wird, und die mit einem möglichst geringen Wärmeübergangswiderstand mit der ersten thermischen Kontaktfläche 101 gekoppelt werden soll. Hierzu ist eine irreversibel thermochrome Wärmeleitpaste 5 vorgesehen, wie sie vorangehend beschrieben wurde. Diese Wärmeleitpaste 5 wird zwischen der ersten und der zweiten thermischen Kontaktfläche 101 bzw. 201 angeordnet. Sie gleicht eventuell bestehende Unebenheiten und/oder thermisch bedingte Verbiegungen der thermischen Kontaktflächen 101, 201 aus, so dass in allen Betriebszuständen des Moduls 100 möglichst wenig Lufteinschlüsse zwischen den thermischen Kontaktflächen 101, 201 bestehen. Die Wärmeleitpaste 5 ist kein Bestandteil des Leistungshalbleitermoduls 100.About the connecting layers 3 and 4 as well as the circuit carrier 2 are the power semiconductor chips 31 . 32 thermally good to the bottom plate 1 coupled. The the power semiconductor chips 31 . 32 opposite bottom 102 the bottom plate 1 at the same time forms a first thermal contact surface 101 , about which in the power semiconductor chips 31 . 32 resulting heat loss to a heat sink 200 to be dissipated. For this purpose, the heat sink 200 also a thermal contact surface 201 subsequently, as a second thermal contact surface 201 is referred to, and with the lowest possible heat transfer resistance with the first thermal contact surface 101 should be coupled. This is an irreversibly thermochromic thermal paste 5 provided as described above. This thermal compound 5 is between the first and the second thermal contact area 101 respectively. 201 arranged. It compensates possibly existing unevenness and / or thermally induced bending of the thermal contact surfaces 101 . 201 out, so that in all operating conditions of the module 100 As little as possible air bubbles between the thermal contact surfaces 101 . 201 consist. The thermal compound 5 is not part of the power semiconductor module 100 ,

Die Wärmeleitpaste 5 kann bei Raumtemperatur eine pastöse Konsistenz besitzen, so dass sie mittels einer geeignet strukturierten Schablone oder mittels eines abschnittweise geschlossenen Siebes in einer vorgegebenen Verteilung auf die erste und/oder die zweite thermische Kontaktfläche 101 bzw. 201 aufgedruckt oder mittels einer Rolle aufgerollt werden kann. Das Aufbringen der Wärmeleitpaste 5 kann homogen, d. h. mit einer über die gesamte thermische Kontaktfläche 101 bzw. 201 konstanten Dicke, oder alternativ inhomogen, d. h. mit einer im Bereich der thermischen Kontaktfläche 101 variierenden Flächendichte erfolgen.The thermal compound 5 may have a pasty consistency at room temperature, so that they by means of a suitably structured template or by means of a sectionally closed screen in a predetermined distribution to the first and / or the second thermal contact surface 101 respectively. 201 can be printed or rolled up by means of a roll. The application of the thermal compound 5 can be homogeneous, ie with one over the entire thermal contact surface 101 respectively. 201 constant thickness, or alternatively inhomogeneous, ie with one in the region of the thermal contact surface 101 varying surface density.

2 zeigt eine Draufsicht auf die den Leistungshalbleiterchips 31, 32 abgewandte Unterseite 102 der Bodenplatte 1, die zugleich die thermische Kontaktfläche 101 des Leistungshalbleitermoduls 100 umfasst. Die Positionen der von der Bodenplatte 1 verdeckten Leistungshalbleiterchips 31, 32 sind gestrichelt dargestellt. Auf diese thermische Kontaktfläche 101 wurde die Wärmeleitpaste 5 bei Raumtemperatur aufgetragen, wobei sich das Leistungshalbleitermodul 100 außer Betrieb und ebenfalls auf Raumtemperatur befand. Die Darstellung zeigt die Anordnung unmittelbar nach dem Aufbringen der Wärmeleitpaste 5, das Leistungshalbleitermodul 100 ist unverändert außer Betrieb. Der Randbereich 103 der Unterseite 102 sowie Montageöffnungen 11 in den Eckbereichen der Bodenplatte 1 wurden beim Aufbringen der Wärmeleitpaste 5 ausgespart. 2 shows a plan view of the power semiconductor chips 31 . 32 opposite bottom 102 the bottom plate 1 , which at the same time the thermal contact surface 101 of the power semiconductor module 100 includes. The positions of the bottom plate 1 concealed power semiconductor chips 31 . 32 are shown in dashed lines. On this thermal contact surface 101 was the thermal grease 5 applied at room temperature, wherein the power semiconductor module 100 out of service and also at room temperature was. The illustration shows the arrangement immediately after the application of the thermal compound 5 , the power semiconductor module 100 is still out of service. The border area 103 the bottom 102 as well as mounting holes 11 in the corner areas of the floor slab 1 were when applying the thermal compound 5 spared.

3 zeigt ein anderes Beispiel, bei dem auf die Unterseite 101 der Bodenplatte 1 eines gemäß 1 ausgebildeten Leistungshalbleitermoduls 100 eine irreversibel thermochrome Wärmeleitpaste 5 aufgebracht wurde. Das Aufbringen der Wärmeleitpaste 5 erfolgte bei Raumtemperatur, das Leistungshalbleitermodul 100 war außer Betrieb und hatte ebenfalls Raumtemperatur. Die Darstellung zeigt die Anordnung unmittelbar nach dem Aufbringen der Wärmeleitpaste 5, das Leistungshalbleitermodul 100 ist unverändert außer Betrieb. Die Wärmeleitpaste 5 weist voneinander beabstandete, wabenförmige Abschnitte aufweist. Anstelle der gezeigten sechseckigen Wabenform können jedoch beliebige andere Formen verwendet werden. Die Abschnitte können, müssen jedoch nicht notwendiger voneinander beabstandet sein. Entscheidend ist, dass die Schicht mit einer hohen Dichte von Vertiefungen 50 durchzogen ist, so dass die Wärmeleitpaste 5 beim Anpressen des mit der Wärmeleitpaste 5 versehenen Leistungshalbleitermoduls 100 an einen Kühlkörper 200 (siehe 1) seitlich in diese Vertiefungen 50 ausweichen kann. Hierdurch wird ein optimaler, d. h. sehr geringer Wärmeübergangswiderstand zwischen den Kontaktflächen 101 und 201 erreicht. 3 shows another example where on the bottom 101 the bottom plate 1 one according to 1 trained power semiconductor module 100 an irreversibly thermochromic thermal compound 5 was applied. The application of the thermal compound 5 occurred at room temperature, the power semiconductor module 100 was out of order and also had room temperature. The illustration shows the arrangement immediately after the application of the thermal compound 5 , the power semiconductor module 100 is still out of service. The thermal compound 5 has spaced, honeycomb-shaped sections. However, any other shapes may be used instead of the hexagonal honeycomb shape shown. The sections may, but need not necessarily, be spaced apart from each other. It is crucial that the layer with a high density of wells 50 is traversed, so that the thermal paste 5 when pressing with the thermal grease 5 provided power semiconductor module 100 to a heat sink 200 (please refer 1 ) laterally in these wells 50 can dodge. As a result, an optimal, ie very low heat transfer resistance between the contact surfaces 101 and 201 reached.

4 zeigt einen Vertikalschnitt durch ein Leistungshalbleitermodul 100, dessen Aufbau ähnlich dem des Leistungshalbleitermoduls 100 gemäß 1 ist. Im Unterschied zu diesem ist jedoch anstelle einer rein metallischen Bodenplatte 1 eine mehrschichtige Bodenplatte 1 vorgesehen. Diese weist zumindest eine strukturierte oberseitige Metallisierung 21 auf, eine Keramikschicht 20, sowie eine weitere Metallisierung 22 auf. Jeweils optional folgen unterhalb der Metallisierung 22 noch eine oder mehrere weitere Keramikschichten 23 und Metallisierungen 24, so dass Keramikschichten und Metallisierungen einander abwechseln. Auf die unterste Schicht 24 der Bodenplatte 1, bei der es sich alternativ auch um eine Keramikschicht handeln kann, wurde eine irreversibel thermochrome Wärmeleitpaste 5 auf eine der vorangehend erläuterten Arten auf die Unterseite 101 Bodenplatte 1 aufgebracht. 4 shows a vertical section through a power semiconductor module 100 whose structure is similar to that of the power semiconductor module 100 according to 1 is. In contrast to this, however, instead of a purely metallic base plate 1 a multi-layered floor slab 1 intended. This has at least one structured top-side metallization 21 on, a ceramic layer 20 , as well as another metallization 22 on. Optionally follow below the metallization 22 one more ceramic layers 23 and metallizations 24 so that ceramic layers and metallizations alternate. On the lowest layer 24 the bottom plate 1 , which may alternatively be a ceramic layer, became an irreversibly thermochromic thermal paste 5 in one of the previously explained ways to the bottom 101 baseplate 1 applied.

5 zeigt beispielhaft ein Leistungshalbleitermodul 100 gemäß 4, bei dem wie anhand von 2 erläutert eine irreversibel thermochrome Wärmeleitpaste 5 aufgebracht wurde, allerdings, nachdem das Leistungshalbleitermodul 100 an dem Kühlkörper 200 montiert, längere Zeit in Betrieb genommen und dann wieder vom Kühlkörper 200 abmontiert wurde. Das Leistungshalbleitermodul 100 befindet sich in der gezeigten Ansicht wieder auf Raumtemperatur. Die Positionen der von der Bodenplatte 1 verdeckten Leistungshalbleiterchips 31, 32 sind gestrichelt dargestellt. 5 shows by way of example a power semiconductor module 100 according to 4 in which like based on 2 explains an irreversible thermochromic thermal paste 5 was applied, however, after the power semiconductor module 100 on the heat sink 200 mounted, put into operation for a long time and then again from the heat sink 200 was dismantled. The power semiconductor module 100 is in the view shown again to room temperature. The positions of the bottom plate 1 concealed power semiconductor chips 31 . 32 are shown in dashed lines.

Aufgrund der beim Betrieb der Halbleiterchips 31, 32 anfallenden Wärme kam es lokal unterhalb der Leistungshalbleiterchips 31, 32 zu einer besonders starken Erwärmung in den Substraten 2, der Bodenplatte 1 und der Wärmeleitpaste 5 und, aufgrund der irreversibel thermochromen Eigenschaften der Wärmeleitpaste 5, zu einer dauerhaften Farbänderung der Wärmeleitpaste 5. Da die Farbe ein Maß für die lokal erreichte Maximaltemperatur ist, kann z.B. festgestellt werden, ob das Leistungshalbleitermodul 100 außerhalb seiner zulässigen thermischen Betriebsgrenzen betrieben wurde.Due to the operation of the semiconductor chips 31 . 32 accumulating heat occurred locally below the power semiconductor chips 31 . 32 to a particularly strong heating in the substrates 2 , the bottom plate 1 and the thermal grease 5 and, due to the irreversible thermochromic properties of the thermal paste 5 , to a permanent color change of the thermal paste 5 , Since the color is a measure of the locally reached maximum temperature, it can be determined, for example, whether the power semiconductor module 100 was operated outside its permissible thermal operating limits.

Eine andere Anwendung wird anhand eines Leistungshalbleitermoduls 100 gemäß 6 erläutert. Das Leistungshalbleitermodul 100 besitzt denselben Aufbau wie das in 4 gezeigte Leistungshalbleitermodul 100 und wurde, wie in 2 beschrieben, mit einer irreversibel thermochromen Wärmeleitpaste 5 beschichtet. Dann wurde das Leistungshalbleitermodul 100 entsprechend dem in 5 gezeigten Modul an einem Kühlkörper 200 montiert, längere Zeit in Betrieb genommen, wieder vom Kühlkörper 200 abmontiert und auf Raumtemperatur abgekühlt. Auch hier sind die Positionen der von der Bodenplatte 1 verdeckten Leistungshalbleiterchips 31, 32 gestrichelt dargestellt.Another application is using a power semiconductor module 100 according to 6 explained. The power semiconductor module 100 has the same structure as the one in 4 shown power semiconductor module 100 and became, as in 2 described, with an irreversible thermochromic thermal paste 5 coated. Then the power semiconductor module became 100 according to the in 5 shown module on a heat sink 200 mounted, put into operation for a long time, again from the heat sink 200 dismantled and cooled to room temperature. Again, the positions of the bottom plate 1 concealed power semiconductor chips 31 . 32 shown in dashed lines.

Anders als das Leistungshalbleitermodul 100 gemäß 5 weist die Verbindungsschicht 3 zwischen einem der Leistungshalbleiterchips 31 und der oberseitige Metallisierung 21 einen Lunker 7 auf. Wegen dieses Lunkers 7 ist die Wärmeübertragung von dem betreffenden Leistungshalbleiterchip 31 in Richtung des zugehörigen Substrates 2, der Bodenplatte 1 und der Wärmeleitpaste 5 lokal gestört, so dass es während des Betriebs des Leistungshalbleitermoduls 100 in dem Bereich unterhalb des Lunkers 7 zu keiner so starken Farbveränderung in der Wärmeleitpaste 5 kam wie unterhalb der lunkerfreien Abschnitte der Verbindungsschichten 3. Somit kann mit Hilfe der irreversibel thermochromen Wärmeleitpaste 5 eine schlechte thermische Anbindung zwischen einem Leistungshalbleitermodul 100 und einem Kühlkörper 200 ermittelt werden.Unlike the power semiconductor module 100 according to 5 has the tie layer 3 between one of the power semiconductor chips 31 and the topside metallization 21 a blowhole 7 on. Because of this void 7 is the heat transfer from the relevant power semiconductor chip 31 in the direction of the associated substrate 2 , the bottom plate 1 and the thermal grease 5 locally disturbed, so that it during operation of the power semiconductor module 100 in the area below the voids 7 no such strong color change in the thermal compound 5 came as below the void-free sections of the tie layers 3 , Thus, with the help of irreversibly thermochromic thermal compound 5 a poor thermal connection between a power semiconductor module 100 and a heat sink 200 be determined.

Grundsätzlich kann auch eine reversibel thermochrome Wärmeleitpaste eingesetzt werden, beispielsweise um nachzuprüfen, ob eine Bodenplatte eines Leistungshalbleitermoduls, die sich während des Betriebs durch die Abwärme der Leistungshalbleiterchips aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffizienten beim Betrieb verkrümmt, einen guten thermischen Kontakt zu einer ebenen Kühlfläche besitzt. Wird die Bodenplatte des Leistungshalbleitermoduls beispielsweise wie anhand von 2 erläutert mit einer Wärmeleitpaste beschichtet, die jedoch nicht irreversibel sondern reversibel thermochrom ist, und dann nicht an einer ebenen Fläche eines herkömmlichen Kühlkörpers montiert, sondern an einer ebenen Fläche eines transparenten Kühlkörpers (z.B. aus Glas), so lässt sich eine Farbveränderung der Wärmeleitpaste 5 aufgrund der Transparenz des Kühlkörpers durch diesen hindurch beobachten. Auf diese Weise kann z.B. für eine bestimmte Modulkonfiguration eine ideale Vorkrümmung der Bodenplatte ermittelt werden.In principle, it is also possible to use a reversibly thermochromic thermal compound, for example in order to verify whether a bottom plate of a power semiconductor module, which creeps during operation due to the thermal losses of the power semiconductor chips due to different thermal expansion coefficients during operation, has good thermal contact with a flat cooling surface. If the bottom plate of the power semiconductor module, for example, as based on 2 described coated with a thermal paste, which is not irreversible but reversible thermochromic, and then mounted not on a flat surface of a conventional heat sink, but on a flat surface of a transparent heat sink (eg glass), so there is a change in color of the thermal paste 5 due to the transparency of the heat sink through it. In this way, for example, for a specific module configuration, an ideal pre-curvature of the bottom plate can be determined.

Die Erfindung wurde vorangehend unter Bezugnahme auf ein Leistungshalbleitermodul näher erläutert. Grundsätzlich kann eine Wärmeleitpaste in gleicher Weise auch auf andere thermisch miteinander zu koppelnde Objekte aufgebracht werden.The invention has been explained in detail above with reference to a power semiconductor module. In principle, a thermal compound can be applied in the same way to other objects to be thermally coupled together.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Bodenplatte baseplate
22
Schaltungsträger/Substrat Circuit substrate / substrate
33
Verbindungsschichten Tie layers
44
Verbindungsschicht link layer
55
Wärmeleitpaste Thermal Compounds
77
Lunker Lunker
1111
Montageöffnungen mounting holes
2020
Isolationsträger insulation support
2121
oberseitige Metallisierung topside metallization
2222
unterseitige Metallisierung bottom metallization
2323
Keramikschicht ceramic layer
2424
Metallisierung metallization
3030
Bonddraht bonding wire
3131
Leistungshalbleiterchip Power semiconductor chip
3232
Leistungshalbleiterchip Power semiconductor chip
33–3833-38
elektrische Anschlüsse  electrical connections
3939
Verschienung busbar
5050
Gehäuse casing
5151
Seitenwänden sidewalls
5252
Gehäusedeckel housing cover
5454
Weichvergussmasse Weichvergussmasse
5555
Hartvergussmasse Hartvergussmasse
100100
Leistungshalbleitermodul The power semiconductor module
101101
Kontaktfläche contact area
102102
Unterseite bottom
103103
Randbereich border area
200200
Kühlkörper heatsink
201201
Kontaktfläche contact area

Claims (14)

Wärmeleitpaste, die thermochrome Farbbestandteile aufweist, deren Farbe sich mit ihrer Temperatur ändert.Thermal paste, which has thermochromic color components whose color changes with their temperature. Wärmeleitpaste nach Anspruch 1, die bei einer Temperatur von 100°C eine Wärmeleitfähigkeit von mehr als 0,9 W/(m·K), von mehr als 3 W/(m·K) oder von mehr als 10 W/(m·K) aufweist.Thermal paste according to claim 1, which has a thermal conductivity of more than 0.9 W / (m · K), more than 3 W / (m · K) or more than 10 W / (m · K) at a temperature of 100 ° C. K). Wärmeleitpaste nach Anspruch 1 oder 2, die thermochrome Farbbestandteile enthält, deren Farbe sich mit ihrer Temperatur irreversibel ändert.Thermal paste according to claim 1 or 2, which contains thermochromic color components, the color of which changes irreversibly with its temperature. Wärmeleitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche, die thermochrome Farbbestandteile enthält, deren Farbe sich mit ihrer Temperatur reversibel ändert.Thermal paste according to one of the preceding claims, which contains thermochromic color components whose color changes reversibly with their temperature. Wärmeleitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche, die thermochrome Farbbestandteile enthält, die – bei Raumtemperatur eine erste Farbe aufweisen; und – reversibel oder irreversibel eine von der ersten Farbe verschiedene zweite Farbe annehmen, wenn die Temperatur der Farbbestandteile 110°C oder 130°C oder 150°C überschreitet. Thermal paste according to one of the preceding claims, containing thermochromic color components which - have a first color at room temperature; and Reversibly or irreversibly adopt a second color other than the first color when the temperature of the colored components exceeds 110 ° C or 130 ° C or 150 ° C. Wärmeleitpaste nach einem der vorangehenden Ansprüche, die mindestens zwei verschiedene Sorten thermochromer Farbbestandteile aufweist, wobei die Farbbestandteile einer jeden Sorte – bei Raumtemperatur eine für diese Sorte charakteristische erste Farbe aufweisen; und – die reversibel oder irreversibel eine für diese Sorte charakteristische, von der ersten Farbe verschiedene zweite Farbe annehmen, wenn die Temperatur der Farbbestandteile dieser Sorte eine für diese Sorte charakteristische Temperatur überschreitet, die höher ist als die Raumtemperatur; wobei – die Menge der charakteristischen zweiten Farben keine identischen Farben aufweist; und – die Menge der charakteristischen Temperaturen keine identischen Temperaturen aufweist.Thermal paste according to one of the preceding claims, which has at least two different types of thermochromic color components, wherein the color components of each variety - have at room temperature a characteristic of this variety first color; and - reversibly or irreversibly assume a second color distinct from the first color, characteristic of this variety, if the temperature of the color components of that variety exceeds a temperature characteristic of that variety, which is higher than room temperature; wherein - the set of characteristic second colors does not have identical colors; and - the amount of characteristic temperatures does not have identical temperatures. Wärmeleitpaste nach Anspruch 6, die genau eine der folgenden Bedingungen erfüllt: – die Farbbestandteile einer jeder der Sorten nehmen beim Überschreiten der für sie charakteristischen Temperatur die für diese Sorte charakteristische zweite Farbe reversibel an; – die Farbbestandteile einer jeder der Sorten nehmen beim Überschreiten der für sie charakteristischen Temperatur die für diese Sorte charakteristische zweite Farbe irreversibel an; – die Farbbestandteile einer ersten der Sorten nehmen beim Überschreiten der für sie charakteristischen Temperatur die für diese erste der Sorten charakteristische zweite Farbe reversibel an, und die Farbbestandteile einer zweiten der Sorten nehmen beim Überschreiten der für sie charakteristischen Temperatur die für diese zweite der Sorten charakteristische zweite Farbe irreversibel an.Thermal paste according to claim 6, which fulfills exactly one of the following conditions: The color components of each of the varieties, when exceeding the temperature characteristic of them, reversibly assume the second color characteristic of this variety; - the color components of each of the varieties irreversibly assume, when the temperature characteristic of them is exceeded, the second color characteristic of that variety; The color constituents of a first of the varieties, when exceeding the temperature characteristic of them, reversibly take on the second color characteristic of that first of the varieties, and the color constituents of a second of the varieties, when exceeding the temperature characteristic of them, take the second characteristic of that second of the varieties Color irreversible. Leistungshalbleiteranordnung mit einem Leistungshalbleitermodul (100), das eine als Wärmeableitkontaktfläche ausgebildete Unterseite (101) aufweist, auf die eine Schicht einer Wärmeleitpaste (5) gemäß einem der vorangehenden Ansprüche aufgetragen ist.Power semiconductor device with a power semiconductor module ( 100 ) which has a lower side (FIG. 101 ), to which a layer of thermal paste ( 5 ) is applied according to one of the preceding claims. Leistungshalbleiteranordnung nach Anspruch 8, bei dem die Wärmeableitkontaktfläche (101) eine Fläche von wenigstens 2 cm × 3 cm aufweist.Power semiconductor device according to claim 8, in which the heat-dissipating contact surface ( 101 ) has an area of at least 2 cm × 3 cm. Verfahren zum Aufbringen einer Wärmeleitpaste auf ein Leistungshalbleitermodul mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Leistungshalbleitermoduls (100), das eine Wärmeableitkontaktfläche (101) aufweist; – Bereitstellen einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Wärmeleitpaste (5); – Auftragen der Wärmeleitpaste (5) auf die Wärmeableitkontaktfläche (101) als dünne, strukturierte oder unstrukturierte Schicht.Method for applying a thermal compound to a power semiconductor module with the following steps: - Providing a power semiconductor module ( 100 ) having a heat dissipation contact surface ( 101 ) having; Provision of a thermal compound formed according to one of claims 1 to 7 ( 5 ); - Applying the thermal paste ( 5 ) on the heat dissipation contact surface ( 101 ) as a thin, structured or unstructured layer. Verfahren nach Anspruch 10 mit folgenden weiteren Schritten: – Festlegen einer vorgegebenen Trocknungstemperatur der Wärmeleitpaste (5); – Trocknen der aufgetragenen Wärmeleitpaste (5) in einem ersten Heizschritt; – Ermitteln der erreichten Trocknungstemperatur der Wärmeleitpaste (5) nach dem ersten Heizschritt anhand der Farbe und/oder der Farbverteilung der Wärmeleitpaste (5).Method according to claim 10 with the following further steps: - setting of a predetermined drying temperature of the thermal paste ( 5 ); - drying the applied thermal paste ( 5 ) in a first heating step; Determining the reached drying temperature of the thermal compound ( 5 ) after the first heating step on the basis of the color and / or the color distribution of the thermal compound ( 5 ). Verfahren nach Anspruch 11 mit folgenden weiteren Schritten: (a) Nachtrocknen der aufgetragenen Wärmeleitpaste (5) in einem weiteren Heizschritt, wenn sich aus dem Ermitteln des Trocknungszustandes ergibt, dass die Wärmeleitpaste (5) noch nicht über die gesamte dünne Schicht die vorgegebene Trocknungstemperatur erreicht hat; (b) Ermitteln der erreichten Trocknungstemperatur der Wärmeleitpaste (5) nach dem weiteren Heizschritt anhand der Farbe und/oder der Farbverteilung der Wärmeleitpaste (5); (c) Wiederholen der Schritte (a) und (b) so oft, bis die Wärmeleitpaste (5) an jeder Stelle der dünnen Schicht die vorgegebene Trocknungstemperatur erreicht hat.Process according to claim 11, comprising the following further steps: (a) secondary drying of the applied thermal paste ( 5 ) in a further heating step, if it results from the determination of the drying state that the thermal compound ( 5 ) has not yet reached the predetermined drying temperature over the entire thin layer; (b) determining the achieved drying temperature of the thermal compound ( 5 ) after the further heating step on the basis of the color and / or the color distribution of the thermal compound ( 5 ); (c) repeating steps (a) and (b) until the thermal grease ( 5 ) has reached the predetermined drying temperature at each point of the thin layer. Verfahren zum Ermitteln der beim Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls erreichten Betriebstemperatur mit folgenden Schritten: – Bereitstellen eines Leistungshalbleitermoduls (100), das vorangehend eine Betriebsphase durchlaufen hat und zu diesem Zweck mit einer elektrischen Spannung versorgt worden ist, und das eine Wärmeableitkontaktfläche (101) aufweist, auf die eine gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildete Wärmeleitpaste (5) aufgetragen ist, die bereits während der Betriebsphase des Leistungshalbleitermoduls (100) auf die Wärmeableitkontaktfläche (101) aufgetragen war; und die zumindest eine Sorte thermochromer Farbbestandteile aufweist, die bei Raumtemperatur eine für diese Sorte charakteristische erste Farbe aufweisen, und die beim Überschreiten einer für sie charakteristischen Temperatur irreversibel eine für diese Sorte charakteristische zweite Farbe annehmen; – Ermitteln der während der maximalen in der Wärmeleitpaste (5) erreichten Temperatur anhand der Farbe der Wärmeleitpaste (5).Method for determining the operating temperature achieved during operation of a power semiconductor module with the following steps: - providing a power semiconductor module ( 100 ) which has previously passed through an operating phase and has been supplied with an electrical voltage for this purpose, and which has a heat-dissipating contact surface ( 101 ), to which a thermal compound formed according to any one of claims 1 to 7 ( 5 ) is applied, which already during the operating phase of the power semiconductor module ( 100 ) on the heat dissipation contact surface ( 101 ) was applied; and having at least one type of thermochromic color constituents which at room temperature have a first color characteristic of that variety and which irreversibly assume a second color characteristic of that variety when a characteristic temperature is exceeded; Determine the maximum temperature in the thermal compound ( 5 ) reached temperature based on the color of the thermal compound ( 5 ). Verfahren zum Ermitteln der beim Betrieb eines Leistungshalbleitermoduls erreichten Betriebstemperatur mit folgenden Schritten: – Bereitstellen einer Leistungshalbleiteranordnung, die ein Leistungshalbleitermodul (100) mit einer Wärmeableitkontaktfläche (101) aufweist; – Bereitstellen einer gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 ausgebildeten Wärmeleitpaste (5); – Auftragen der Wärmeleitpaste (5) auf die Wärmeableitkontaktfläche (101) als dünne Schicht; – Inbetriebnehmen des Leistungshalbleitermoduls (100) durch Anlegen einer elektrischen Spannung an das Leistungshalbleitermodul (100); – Ermitteln der in der Wärmeleitpaste (5) vorliegenden Temperatur anhand der Farbe der Wärmeleitpaste (5) während des Betriebs de Leistungshalbleitermoduls (100).Method for determining the operating temperature achieved during operation of a power semiconductor module, comprising the following steps: - providing a power semiconductor device comprising a power semiconductor module ( 100 ) with a heat dissipation contact surface ( 101 ) having; Provision of a thermal compound formed according to one of claims 1 to 7 ( 5 ); - Applying the thermal paste ( 5 ) on the heat dissipation contact surface ( 101 ) as a thin layer; - Commissioning of the power semiconductor module ( 100 ) by applying an electrical voltage to the power semiconductor module ( 100 ); - Determining the in the thermal grease ( 5 ) temperature based on the color of the thermal paste ( 5 ) during operation of the power semiconductor module ( 100 ).
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