Schäden durch thermische Instabilität verhindern Kfz-Elektronik: Der sekundäre Schutz greift

Im Kfz-Bereich dürfen ausgefallene MOSFETs, Kondensatoren, ICs, Widerstände und andere Komponenten, die Risse bilden oder korrodieren können, keinerlei Schäden verursachen. In manchen Fällen erzeugen solche ausgefallenen Komponenten jedoch keinen vollständigen, sondern nur einen resistiven Kurzschluss, sodass eine herkömmliche Schmelzsicherung nicht oder zu spät anspricht. Was dann?

Stetig steigt die Nachfrage nach Elektronik, die sich in anspruchsvollen Umgebungen beispielsweise unter der Motorhaube und in rauen industriellen Anwendungen einsetzen lässt. Dadurch wächst ebenso der Bedarf an neuen Materialien und effizienteren Leistungskomponenten. Hochleistungsanwendungen mit hohen Temperaturen können zu potenziell schwerwiegenden Wärmeproblemen führen, wenn Komponenten wie Leistungstransistoren (MOSFETs), Kondensatoren, Widerstände oder integrierte Schaltungen diesen rauen Bedingungen lange ausgesetzt sind.

Zu den Lösungsvorschlägen für ein besseres thermisches Management gehören die Verbesserung der Leistungskomponenten, der Einsatz von Designtechniken, um die Wärme gleichmäßiger zu verteilen, sowie die Integration neuer Kühlkörpermaterialien. Trotzdem verlassen sich viele Entwickler heutzutage auf sekundären Schutz, um thermische Instabilität zu stoppen, verursacht durch das Versagen von Leistungskomponenten oder durch korrosionsbedingte Erwärmung.

Der am häufigsten verwendete Ansatz ist die Verwendung einer thermischen Sicherung beziehungsweise eines thermischen Unterbrechers oder eines Thermoschalters. Diese Bausteine bieten umfassende und spezifische Temperatur-Aktivierungsmerkmale sowohl in Wechsel- als auch Gleichstromanwendungen. Allerdings stellen sie große Herausforderungen an die Leiterplattenmontage. Da immer mehr Leiterplatten ausschließlich Komponenten zur Oberflächenmontage verwenden, kann ein Baustein mit Durchgangsbohrung spezielle Montageverfahren und zusätzliche Kosten und Komplexität bedeuten.

Darüber hinaus bieten Standardbausteine unter Umständen nicht die für Kfz-Anwendungen benötigte Robustheit und Zuverlässigkeit, während Komponenten, die für den Einsatz im Kfz-Bereich geeignet sind, vollständig getestet werden, um die strengen Schock- und Schwingungsspezifikationen zu erfüllen und korrekte Gleichstromnennwerte zu bieten. Für die gerade geschilderten Fälle hat Tyco Electronics den oberflächenmontierbaren RTP-Baustein (Reflowable Thermal Protection) entwickelt.

Dieser sekundäre Wärmeschutzbaustein kann redundante MOSFETs, Relais und schwere Kühlkörper ersetzen, die in der Regel bislang in Elektronikdesigns im Kfz- und Industriebereich verwendet worden sind. In der rauen Kfz-Umgebung sind Power-MOSFETs routinemäßig extremen Temperaturschwankungen und extremer thermo-mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Intermittierende Kurzschlüsse, kalte Betriebsumgebungen, Lichtbögen sowie induktive Lasten und mehrfache Kurzschlüsse können im Laufe der Zeit zu Ermüdungserscheinungen am Baustein führen, sodass dieser im offenen, kurzgeschlossenen oder resistiven Modus versagt.

Ein MOSFET fällt aus - was passiert?

Obwohl MOSFETs zunehmend robuster werden, sind sie anfällig für Ausfälle, die sehr schnell eintreten können, wenn ihre Nennwerte überschritten werden. Bei Überschreiten der maximalen Betriebsspannung erfolgt ein Lawinendurchbruch (avalanche breakdown). Liegt die freigesetzte Energie oberhalb der nominalen Avalanche-Energie, versagt der Baustein. Es bilden sich Rauch oder Flammen, sodass sich der Baustein selbstständig auslöten kann.

Power-MOSFETs im Kfz-Bereich sind nachweislich anfälliger für Ermüdung und Ausfall als Bausteine, die in weniger anspruchsvollen Anwendungen installiert sind. Nach fünf Jahren Einsatz kann der Unterschied der Ausfallraten größer als ein Faktor von zehn sein. Obwohl ein solcher Baustein anfängliche Tests bestehen kann, ist erwiesen, dass unter bestimmten Bedingungen zufällig darin verteilte Schwachstellen einen Ausfall während des Einsatzes verursachen können.

Selbst in Situationen, in denen MOSFETs innerhalb der angegebenen Betriebsbedingungen arbeiten, wurden zufällig verteilte und unvorhersagbare resistive Kurzschlüsse bei unterschiedlichen Widerstandswerten berichtet. Der Ausfall im resistiven Modus ist besonders bedenklich, nicht nur für die MOSFETs, sondern auch für die Leiterplatten. Bereits 10 W können einen lokalen Wärmestau (hot spot) von mehr als +180 °C erzeugen, was deutlich über der typischen Temperaturgrenze von +135 °C für eine Leiterplatte liegt. Deren Epoxidstruktur wird beschädigt, ein thermisches Ereignis tritt ein.
Bild 1 beschreibt ein Szenario, in dem ein ausgefallener Leistungstransistor keinen harten Kurzschluss generiert, sondern einen resistiven, sodass durch I2R-Verluste gefährliche Temperaturen entstehen. In diesem Fall ist der resultierende Strom unter Umständen nicht hoch genug, um eine Standardsicherung auszulösen und die thermische Instabilität auf der Leiterplatte zu stoppen.

Lüftermodule absichern

Wenn ein Leistungshalbleiter versagt oder ein Defekt auf einer Leiterplatte unsichere Übertemperaturzustände hervorruft, unterbricht der RTP-Baustein, der sich bei +200 °C öffnet (ein Wert über den normalen Betriebstemperaturen, aber unterhalb der Schmelztemperaturen von bleifreien Lötmitteln), den Strom und verhindert thermische Instabilität, die kritische Schäden verursachen kann.

Bild 2 zeigt, dass der RTP-Baustein thermisch mit dem MOSFET gekoppelt ist und den Schaltkreis öffnet, bevor ein unerwünschter thermischer Zustand auf der Leiterplatte entsteht. Dazu muss der RTP-Baustein in Reihe auf der Stromleitung in der Nähe des MOSFETs integriert werden. Ähnlich wie bei einer Schmelzsicherung muss das Bauteil danach ausgewechselt werden. Lüftermodule (CFM, Cooling Fan Modules) sind wesentliche Elemente der Klimaanlage und des Motorkühlungssystems des Fahrzeugs.

Sie kühlen den Motor ab und verhindern potenzielle Überhitzung bei bestimmten Bedingungen, zum Beispiel bei heißem Wetter und Fahrten auf steilen Strecken. Bild 3 zeigt die Anordnung des RTP-Bausteins in einer CFM-Anwendung.

CFMs werden in der Regel unter der Motorhaube integriert und sind im Vergleich zu Modulen im Fahrgastraum extremeren Temperaturschwankungen ausgesetzt. Diese thermische Belastung kann die Ermüdung des Power-MOSFETs beschleunigen und zu vorzeitigem Ausfall führen. Komponenten unter der Motorhaube können auch »Flüssigkeitsangriffen« ausgesetzt sein, die zu Korrosion und lokalisierten Heißstellen auf der Leiterplatte führen.

In der Regel beinhalten CFMs keine Mikrocontroller, die sich unter bestimmten Bedingungen für die Onboard-Diagnose und zum automatischen Abschalten des Leistungshalbleiters eignen würden. Eine Softwarelösung zur Verhinderung eines MOSFET-Ausfalls ist somit nicht verfügbar, und sekundärer Schutz ist erforderlich, damit thermische Instabilität nicht zu einem gefährlichen thermischen Ereignis führt.

Die Öffnungstemperatur des RTP-Bausteins von +200 °C verhindert falsche Aktivierungen und verbessert die Systemzuverlässigkeit, da dieser Wert oberhalb des normalen Betriebsfensters der meisten normal funktionierenden Elektronik liegt, aber unterhalb des Schmelzpunkts von typischen bleifreien Lötmitteln. Der Baustein öffnet somit nicht, wenn die umliegenden Komponenten in ihrem Zieltemperaturbereich arbeiten. Der Baustein löst jedoch aus, bevor sich eine Komponente auslötet und das potenzielle Risiko von zusätzlichen Kurzschlüssen entsteht.

Damit der RTP-Baustein im Einsatz bei +200 °C öffnet, muss er nach dem Einlöten »scharf gemacht« werden. Vor dem Aktivieren kann der Baustein drei Lötungen von bleifreien Lötmitteln standhalten, ohne sich zu öffnen. Das Timing für dieses Scharfmachen kann der Benutzer bestimmen, und es lässt sich so konfigurieren, dass die Aktivierung automatisch beim Einschalten des Systems oder während Systemtests erfolgt.