Wahl der richtigen Regelstrategie Geschönte Lebensdauer bei Lastwechseltests?

Aktive Lastwechseltests sind ein wichtiges Hilfsmittel zur Bewertung der Zuverlässigkeit von Leistungshalbleitermodulen. Ausfallkurven der Hersteller ermöglichen es Applikationsingenieuren, Aussagen über ihr Systemdesign hinsichtlich der erforderlichen Zuverlässigkeit zu treffen. Vielfach unbeachtet bleibt allerdings die angewandte Regelstrategie.

Aktive Lastwechseltests helfen dabei, Leistungshalbleitermodule zu bewerten. Zu beachten ist beim so genannten Power Cycling die Regelstrategie als eine wichtige Einflussgröße auf die Lebensdauer von Modulen während der sich wiederholenden Temperaturhübe. Zum Nachweis wurden hierzu verschiedene Ansätze aktiver Lastwechseltests mit identischen Ausgangsbedingungen, jedoch unterschiedlichen Regelstrategien überprüft. An einem speziell konstruierten Messplatz sind vier verschiedene Regelstrategien automatisiert durchgeführt worden. Im Ergebnis zeigte sich, dass je nach Strategie die Lebenserwartung der Module um das bis zu Dreifache variierte.

In den Anfängen der aktiven Lastwechseltests galt zunächst nur die Differenz zwischen minimaler und maximaler Chiptemperatur, der Temperaturhub, als ergebnisrelevant. Umfassende Untersuchungen im Rahmen des LESIT-Projektes [1] Mitte der 90er Jahre zeigten jedoch, dass auch die mittlere Temperatur des Temperaturhubes einen signifikanten Einfluss auf die Anzahl der Lastzyklen bis zum Ausfall des Moduls hat.

Eine kürzlich erschienene Studie [2] bestätigte diese Ergebnisse und erweiterte die Liste der Einflussfaktoren um vier zusätzliche Parameter: die Einschaltzeit des Lastimpulses, die Dicke des Bonddrahtes, die Stromdichte in den Bondkontakten und sogar die Spannungsklasse des Chips, aus der Rückschlüsse auf die Wechselwirkung von Chipdicke und Sperrspannung in modernen IGBTs gezogen werden können.

Die bisherige thematische Auseinandersetzung adressierte lediglich diejenigen Startparameter, welche relevant für den Lastwechseltest an sich sind – die Anzahl der Lebenszyklen beispielsweise ist traditionellerweise mit diesem Initialisierungsdatensatz verknüpft. In einem experimentellen Lastwechseltest zeigt sich jedoch, dass die bei dem Start vorgegebenen Parameter während des Tests nicht konstant bleiben, mithin also eigentlich keine Parameter, sondern streng genommen Variablen sind. Degradationseffekte bewirken eine allmähliche Drift dieser Parameter, so dass der Regelstrategie in Lastwechseltests eine entscheidende Bedeutung zukommt.

Regelstrategien im Lastwechseltest

Die Absicht von Lastwechseltests ist es, in einem Leistungsmodul unter stark beschleunigten Bedingungen gezielte Stresssituationen zu erzeugen, welche schließlich zu Verschleiß- und Degradationserscheinungen des Moduls führen.

Einige Phänomene, z.B. die Lot- Ermüdung, erhöhen den thermischen Widerstand des Chips und führen zu einer stetig ansteigenden Sperrschicht- Temperatur (unter konstanten Testbedingungen). Der positive Temperaturkoeffizient moderner IGBTs führt dann zwangsläufig zu erhöhten Verlusten im Chip, die ihrerseits eine weitere Temperaturerhöhung forcieren. Diese (positive) Rückkopplung kann den Ausfallprozess enorm beschleunigen und die Lebensdauer der Module erheblich verkürzen.

Weiterhin können thermische und mechanische Beanspruchungen der Bonddrähte den Widerstand in den Kontaktierungen vergrößern. Die Folgen sind eine geänderte Stromverteilung innerhalb des Chips (Bild 1). Dieser Degradationsprozess, der zum Totalausfall einzelner Kontaktierungen führen kann, lässt sich bei Überwachung des Spannungsabfalls UCE unmittelbar an dessen schrittweisem Anstieg ablesen. Deshalb kommt es bei Lastwechseltests auf die Wahl der richtigen Strategie zur Steuerung der Parameter an. Im Folgenden werden deshalb vier verschiedene Ansätze untersucht:

1) ton = const. und toff = const.

Dieser Fall des fixen Zeitrasters schaltet den Laststrom in definierten und über die Lebensdauer konstanten Intervallen ein und aus. Die einsetzende Degradation des Moduls bewirkt eine unmittelbare Veränderung des Temperaturhubs, der nicht ausgeregelt wird. Diese Methode gilt als die aggressivste unter den hier vorgestellten.

2) ΔTC = const.

Hier wird die Last in Abhängigkeit von einer spezifizierten Grundplattentemperatur über ein Referenz-Thermoelement geschaltet. Die jeweilige Schaltdauer ist nicht vorgegeben, sondern wird über die Dauer der Heizund Kühlphasen des Moduls bestimmt. Diese Methode hat den Vorteil, dass Änderungen der Kühlflüssigkeitstemperatur über die Heiz- und Kühlphasen kompensiert werden können. Aber auch einer potentiellen Degradation der thermischen Schnittstelle zwischen Modulgrundplatte und Kühlkörper kann mit diesem Ansatz gegengesteuert werden. Im Vergleich zur Methodik des fixen Zeitrasters ist diese Strategie weniger aggressiv.

3) PV = const.

Dieser dritten Methode liegen konstante Schaltzeiten bei zusätzlich konstant gehaltener Verlustleistung zugrunde, wobei letztere über die Steuer- Spannung des Gates geregelt wird. Zu Testbeginn wird die Gate-Spannung auf ein Minimum reduziert, um den Spannungsfall UCE – und damit die Verlustleistung – künstlich zu vergrößern. Steigt dieser dann aufgrund der geschilderten Degradationseffekte an, findet eine Nachregelung der Gate-Spannung statt. Diese Strategie ist deutlich sanfter für Leistungsmodule, denn die beschriebenen Beschleunigungseffekte aufgrund der positiven Rückkopplung werden maßgeblich minimiert.

4) ΔTj = const.

Im Vergleich zur aggressivsten Strategie (ohne jegliche Kompensation) werden bei dieser Regelstrategie, welche die Sperrschicht-Temperatur als Eingangsgröße heranzieht, die Folgen von Degradationseffekten auf ein Minimum reduziert, da die positive Rückkopplungsschleife nun vollständig ausgeregelt wird. Mögliche Regelgrößen sind die Höhe des Laststroms, die Schaltzeiten oder – wie hier verwendet – die Gate-Spannung.