Thermisches Management Dem Verschleiß entgegentreten

Der Faktor, der leistungselektronischen Komponenten am stärksten verschleißen lässt, ist der Temperaturhub. Entwickler müssen die verschiedenen Fehlermechanismen kennen. Ein ganzheitlicher Ansatz umfasst das Bauelement und seine Integration in das Endgerät unter Berücksichtigung thermischer Aspekte.

Eines der prominenten Themen, an dem ersichtlich wird, was von Leistungselektronik heute erwartet wird und welche Herausforderungen sich daraus für die Hersteller ergeben, ist die Energiewende in Deutschland. Erneuerbare Energie aus Windkraftanlagen und Solarfeldern soll die heute üblichen Kraftwerke in den nächsten Jahrzehnten ersetzen. Die deutsche Versorgung auf erneuerbare Energien umzustellen, bedeutet hohe Anforderungen an Zuverlässigkeit und Verfügbarkeit, woraus sich die Randbedingungen für die Leistungshalbleiter ableiten lassen.

Windkraftanlagen beispielsweise sind heute meist für eine Einsatzdauer von 25 Jahren ausgelegt, was einer Betriebsdauer von 50 000 Stunden gleichkommt. Das entspricht etwa dem Zehnfachen der Lebensdauer eines typischen Pkw. im Bereich Solar sind die Anforderungen ähnlich, und aufkommende Applikationen wie Energiespeichersysteme sind ebenso anspruchsvoll.

Obwohl Leistungshalbleiter keine beweglichen Teile aufweisen, unterliegen sie mechanischem Verschleiß, hervorgerufen durch Temperaturwechsel (Bild 1). Solche Komponenten bestehen intern aus einem Stapel von Materialschichten mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten (CTE). Erhöht sich die Temperatur im gesamten Aufbau, so entsteht als Folge der verschiedenen Ausdehnungskoeffizienten mechanische Spannung an der Systemlötung. Dieser Fehlermechanismus wird als Thermal Cycling (TC) bezeichnet.

Bei hinreichend hoher Zyklenbelastung und ausreichendem Temperaturhub entsteht eine Schädigung in der Lotschicht zwischen DCB-Substrat (Direct Copper Bonded) und Bodenplatte in Form von Delamination. Die in Bild 2 gezeigte Sequenz zeigt das Voranschreiten der Schädigung am Beispiel eines Moduls mit Kupferbodenplatte. Ein solcher Vorgang reduziert die für den thermischen Transfer zur Verfügung stehende Fläche – der thermische Widerstand wächst. Das Modul arbeitet innerhalb der Spezifikation, so lange der thermische Widerstand nicht um mehr als 20% ansteigt.