Kontrollierte thermische Dynamik
Sichere und zuverlässige Stromverteilung im Automobil
Eine kontrollierte thermische Dynamik ist für die Optimierung von Stromverteilungssystemen im Auto unerlässlich. Die Kombination von hochauflösender Infrarot-Wärmekartierung mit Echtzeit-Temperaturüberwachung liefert Details zu den internen thermischen Dynamiken in Mehrkanal-Leistungsbauteilen.
Moderne Stromverteilungssysteme in Fahrzeugen entwickeln sich rasant weiter, angetrieben durch die zunehmende Elektrifizierung und die Integration fortschrittlicher elektronischer Komponenten. Diese Entwicklung führt zu höheren Leistungsdichten und immer komplexeren Mehrkanalarchitekturen, was erhebliche Herausforderungen für das Wärmemanagement mit sich bringt. Unkontrollierte thermische Dynamiken innerhalb dieser Systeme, insbesondere das Entstehen lokaler Hotspots, die mit herkömmlichen Simulationsmethoden nur schwer vorherzusagen sind, bergen ernsthafte Risiken.
Diese unvorhersehbaren thermischen Anomalien können Schutzmechanismen vorzeitig oder unerwartet auslösen und zu Geräteabschaltungen führen, die wiederum Systemstörungen oder -ausfälle ohne eindeutige Diagnoseindikatoren zur Folge haben können. Solche Ereignisse erschweren die Fehlersuche und beeinträchtigen die allgemeine Systemzuverlässigkeit. Moderne elektronische Sicherungen und intelligente Mehrkanal-Leistungsschalter müssen daher anspruchsvollen Fehlerbedingungen standhalten, einschließlich Lastkurzschlussereignissen (LSC) in Kabelbäumen mit erheblicher parasitärer Induktivität.
In diesem Zusammenhang ist das Wärmemanagement zu einer zentralen Konstruktionsaufgabe geworden. Das thermische Verhalten von Mehrkanal-Leistungsbauelementen unter dynamischer Überlastung ist von Natur aus sowohl räumlich als auch zeitlich ungleichmäßig. Im Inneren des Siliziums können lokale Hotspots entstehen, deren Temperaturgradienten von herkömmlichen Modellen auf Verbindungsebene oder durch elektrische Standardmessungen allein nicht erfasst werden. Eine kontrollierte thermische Dynamik ist deshalb für eine sichere und zuverlässige Stromverteilung im Auto unerlässlich.
Grenzen herkömmlicher Validierungsverfahren
Bei mehrkanaligen High-Side-Treibern und intelligenten Sicherungen wird das thermische Verhalten unter Fehlerbedingungen durch eine ungleichmäßige Verlustleistung innerhalb jedes Kanals, die gegenseitige thermische Kopplung zwischen benachbarten Kanälen sowie die Wärmeverteilung auf Gehäuse- und Leiterplattenebene beeinflusst. Unter LSC-Bedingungen erzeugen hohe Ströme, induktive Energie und gerätespezifische Strombegrenzungsstrategien schnelle Temperaturtransienten, die sich mit konzentrierten Sperrschichttemperaturmodellen und vereinfachten thermischen Impedanzen nur schwer charakterisieren lassen.
Elektrothermische Simulationen unterstützen den Designprozess, basieren jedoch auf Annahmen bezüglich Materialhomogenität, Randbedingungen und Layoutdetails. Daher können sie keine genaue Vorhersage aller Hotspots oder unausgeglichener Strompfade garantieren. Die Standard-Elektrische-Validierung, einschließlich automatischer Testsysteme (ATE) und der Validierung in der Anwendung (IAV), konzentriert sich auf globale Parameter wie Stromwellenformen und thermische Abschaltschwellen, ohne direkten Zugang zum internen Temperaturfeld. Daher ist eine experimentelle Methodik erforderlich, die in der Lage ist, die Temperaturverteilung während dynamischer Fehlerereignisse aufzulösen, um diese Ansätze zu ergänzen und eine kontrollierte thermische Dynamik auf Bauteil- und Systemebene zu ermöglichen.
Versuchsmethodik und IR-Kartierung
Die beschriebene Methodik wurde auf das Bauteil VNF9Q20F angewandt, einen vierkanaligen intelligenten Leistungsschalter aus der STi²Fuse-Familie. Das Bauteil integriert vier unabhängige Ausgangskanäle, einen Heißtemperatursensor und einen Kalttemperatursensor sowie Strombegrenzungs- und thermische Abschaltschutzfunktionen für Lasten im Automobilbereich.
Bild 1. Elektrisches Netzwerk für LSC-Messungen.
Die Tests wurden bei einer Umgebungstemperatur von 25 °C und einer Gleichspannung von 13 V durchgeführt. Das Bauteil wurde auf die maximale Strombegrenzung (höchster I_LIMH) eingestellt, um das thermische Verhalten zu belasten. Die LSC-Bedingung wurde mit einem elektrischen Netzwerk simuliert, das einen Automobilkabelbaum repräsentiert, mit einer Versorgungseingangsimpedanz (Z_SUPPLY) von 10 mΩ / 5 µH und einer Kurzschlussimpedanz (Z_SHORT) von 100 mΩ / 5 µH, entsprechend den AEC-Q100-012 Kurzschlussrichtlinien (Bild 1).
Für die vollständige thermische Kartierung wurden kurze Impulse mit einer Dauer von 5 ms verwendet, um die Temperaturentwicklung am Hotspot, am heißen Sensor und am kalten Sensor zu überwachen und das thermische Abschaltverhalten zu beobachten.
Eine hochauflösende IR-Thermokamera wurde verwendet, um die Temperatur der Die-Oberfläche zu messen. Nach der Entkapselung wurden nur Proben mit sauberer Oberfläche ausgewählt, um Emissionsartefakte zu minimieren. Das Die wurde über ein Raster von etwa 50 x 50 Punkten (etwa 2500 Positionen) mit einem minimalen räumlichen Abstand von circa 27,77 µm und einer maximalen Sensorauflösung von circa 1,25 MS/s abgetastet, was die Erkennung lokalisierter thermischer Gradienten ermöglicht. An jedem Punkt wurde die Temperaturentwicklung während eines LSC-Impulses aufgezeichnet und später kombiniert, um das Temperaturfeld zu rekonstruieren. Die Erfassungssoftware bestimmte zudem die Koordinaten der globalen Maximaltemperatur zu jedem Zeitpunkt und extrahierte das entsprechende Hotspot-Temperaturprofil. Für längere Impulse wurden die Temperaturen am Hotspot sowie an den Positionen des heißen und kalten Sensors aufgezeichnet, was einen direkten Vergleich zwischen lokalen Maxima und Sensorwerten ermöglichte.
Bild 2. Thermokarten für die verschiedenen Schaltkanäle unter LSC-Bedingung.
Wärmeverteilung und Schutzverhalten
Die für mehrere Kanäle und Proben erstellten Wärmekarten zeigen ein gut verteiltes Wärmemuster über dem Übergangsbereich während des LSC, wobei sich die Temperaturmaxima in der Nähe der aktiven Kanalstrukturen und des Heißsensorbereichs befinden (Bild 2).
Die Karten zeigen konsistent die Lage und Ausdehnung der Hotspots, den Grad der Wärmeausbreitung und die relative Position der Hotspots zu den On-Die-Sensoren. Dies bestätigt, dass der heiße Sensor in einer thermisch repräsentativen Region platziert ist.
Ein Vergleich zwischen Hotspot- und Sensortemperaturen zeigt kontrollierte, aber nicht zu vernachlässigende Unterschiede. Bezeichnet man mit T_hotspot, T_hot und T_cold die Temperaturen am Hotspot, heißen Sensor und kalten Sensor, wurden die Differenzen ΔT(hotspot–hot) und ΔT(hot–cold) bewertet (Bild 3 und Bild 4).
Bild 3. Gemessene ΔT(hotspot–hot)-Temperaturvariation über die Zeit.
Die experimentellen Daten zeigen, dass die maximale Temperaturdifferenz ΔT(hotspot–hot) zwischen 10 °C und 30 °C liegt, wie in Bild 3 illustriert. Ein derart begrenzter Versatz zwischen Hotspot und heißem Sensor wird als akzeptabel angesehen und bestätigt, dass der heiße Sensor ein guter Näherungswert für die tatsächliche maximale Sperrschichttemperatur ist.
Zudem kühlt der Heißsensor zwischen dem ersten und dem zweiten Leistungsbegrenzungsereignis um etwa 70 °C bis 80 °C ab, wie in Bild 4 dargestellt. Diese Ergebnisse weisen auf eine gute Korrelation zwischen dem Messwert des Heißsensors und der tatsächlichen Maximaltemperatur hin und charakterisieren gleichzeitig das gesamte thermische Verhalten des Chips unter LSC-Bedingungen.
Die thermische Abschaltzeit T_TSD, definiert als Verzögerung zwischen Beginn des LSC-Impulses und der Aktivierung der thermischen Abschaltung, wurde auf etwa 1 ms bestimmt, was den Gerätespezifikationen entspricht und mit ATE- und den anwendungsbezogenen Messungen des TSD-Verhaltens und I_LIMH übereinstimmt. Das auf Systemebene beobachtete elektrische Schutzverhalten (Strombegrenzung und Abschaltzeitpunkt) spiegelt sich konsistent in der gemessenen thermischen Entwicklung wider: Bei Auslösung des LSC steigt der Strom an und wird bei I_LIMH begrenzt, die Verlustleistung führt zu einem raschen Anstieg von T_hotspot und T_hot, und wenn die Temperatur des Heißsensors den Schwellenwert erreicht, wird die thermische Abschaltung ausgelöst, wodurch der Strom reduziert wird und das Bauelement abkühlen kann.
Bild 4. Gemessene ΔT(hot–cold)-Temperaturvariation über die Zeit.
Fazit
Die Kombination aus hochauflösender IR-Thermokartierung und Echtzeitüberwachung von On-Die-Sensoren liefert eine detaillierte Sicht auf interne thermische Dynamiken in automobilen Mehrkanal-Leistungsbauteilen unter realistischen LSC-Bedingungen. Lokalisierte Hotspots und signifikante Temperaturgradienten, die durch Schätzungen der durchschnittlichen Sperrschichttemperatur oder rein elektrische Messungen nicht vollständig erfasst werden, können direkt beobachtet und quantifiziert werden. Die Übereinstimmung zwischen thermischen Daten, elektrischem Verhalten und Ergebnissen von Produktionstests bestätigt, dass die Schutzmechanismen im Hinblick auf die tatsächliche thermische Entwicklung korrekt kalibriert sind.
Diese Erkenntnisse unterstützen eine genauere Abstimmung von Schutzschwellenwerten und Zeitabläufen, die Validierung elektrothermischer Modelle sowie die Optimierung der Sensorplatzierung und des Layouts und tragen letztlich zu einer höheren Zuverlässigkeit und Vorhersagbarkeit von Stromverteilungssystemen im Fahrzeug bei. Angesichts der stetig steigenden Leistungsdichte und funktionalen Integration wird die experimentell fundierte Steuerung der thermischen Dynamik auch weiterhin eine zentrale Anforderung sowohl für die Qualifizierung auf Bauteilebene als auch für das Design auf Systemebene bleiben.
Literatur
[1] VNF9Q20F - 4-Kanal-High-Side-Treiber mit STi2Fuse-Schutz für Anwendungen der automobilen Stromverteilung, STMicroelectronics, Juli 2025.
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[6] Y. Lozanov, »Assessment of the Technical Condition of Electric Contact Joints Using Thermography«, 17. Konferenz über elektrische Maschinen, Antriebe und Energiesysteme (ELMA), 2021.
Die Autoren
Alfio Basile
schloss 2022 sein Masterstudium im Fach Elektrotechnik an der Università degli Studi di Catania in Italien ab. Er ist bei STMicroelectronics in den Bereichen Wärmemanagementanalyse, thermische Kartierung und thermische CFD-Simulation tätig.
Giusy Gambino
ist Senior Marketing Communication Specialist bei STMicroelectronics. Innerhalb der Application Specific Divicion koordiniert sie Promotion-Aktivitäten auf internen und externen Plattformen. Sie hat einen Master-Abschluss in Elektrotechnik.
Marcello Vecchio
kam im Jahr 2000 zu STMicroelectronics und verfügt damit über mehr als 25 Jahre Erfahrung in der Halbleiterindustrie. Seit 2018 ist er als Senior Application Engineer für Thermal Management tätig.
