Interview mit Leo Lorenz, ECPE »Neue Fehler tauchen immer wieder auf«

Unser Reakteur Ralf Higgelke im Gespräch mit Prof. Leo Lorenz (rechts), Vorsitzender des Fachbeirats der PCIM.
Unser Reakteur Ralf Higgelke im Gespräch mit Prof. Leo Lorenz (rechts), Vorsitzender des European Center for Power Electronics (ECPE).

Robustheit und Zuverlässigkeit sind stets wiederkehrende Themen bei den Leistungshalbleitern. Das hat nicht nur mit den neuen Wide-Bandgap-Materialien zu tun. Auch bei Silizium stellen sich diese Herausforderungen immer wieder neu. Dazu fragen wir Professor Leo Lorenz, den Vorsitzenden der ECPE.

DESIGN&ELEKTRONIK: Herr Professor Lorenz, im Vorgespräch sagten Sie, Robustheit und Zuverlässigkeit seien im Moment die am heißesten diskutierten Themen bei den Leistungshalbleitern. Warum ist das so?

Prof. Leo Lorenz: Wir stellen fest, dass sich bei einigen Konferenzen ein Großteil der Einreichungen um Robustheit und Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Komponenten – und hier im wesentlichen Leistungshalbleiter –, aber auch Systemen drehen. Daher hatten wir Mitte Januar 2020 dazu einen Workshop im Rahmen der ECPE (siehe [1]; Anm. d. Red.). Bei Wide-Bandgap-Schaltern fehlt uns noch Einiges an Basisdaten zur Langzeitstabilität und dem grundsätzlichen Verständnis der Fehler und ihrer Ursachen, also der Fehlermechanismen, vor allem wenn die Schalter auch im Grenzlastbereich betrieben werden.

Hier ist zu berücksichtigen, dass Wide-Bandgap-Halbleiter extrem schnell schalten, also die Änderungsgeschwindigkeiten von Strom und Spannung sehr hoch sind. Gleichzeitig gilt es, im Zellenfeld hohe elektrische Feldstärken im Sperr- und Durchlassfall zu beherrschen. Aus diesen Gründen und weil im Vergleich zu leistungsgleichen Silizium-Bauelementen die Chipflächen kleiner und das Halbleitermaterial härter ist, ist es nötig, bei der Aufbau- und Verbindungstechnik sowie beim thermischen Management neue Wege zu gehen.

Das mag ein wesentlicher Grund dafür sein, warum die Entwicklungszyklen dort wesentlich länger dauern, denn die Entwickler wollen die Ergebnisse von Feldversuchen abwarten, um die Langzeitlebensdauer besser bewerten zu können. Das gilt gerade für Anwendungen bei Solarumrichtern, den Traktionsantrieben der E-Mobilität – im Auto genauso wie bei Zügen – und im gesamten Bereich der elektrischen Netze. Systementwickler in diesen Anwendungsfeldern müssen die Langzeitstabilität bei den Umrichtern garantieren und erfüllen daher ihre Aufgabe mit großem Respekt – bis hin zu manchmal ungutem »Bauchgefühl«, da einfach zu wenige Daten zur Langzeitlebensdauer bekannt sind.

D&E: Gibt es bei Silizium denn keine offenen Fragen mehr beim Thema Robustheit und Zuverlässigkeit?

Lorenz: Aber klar doch! Silizium-MOSFETs und -IGBTs werden immer weiter bis an die Grenzen der Physik ausgereizt. Und damit stellen sich die Fragen nach Robustheit und Zuverlässigkeit wieder neu.

D&E: Können Sie uns da ein Beispiel nennen?

Lorenz: Gerne. Erst jüngst haben wir in der ECPE-Arbeitsgruppe AQG 324 (Automotive Qualification Guideline 324; Anm. d. Red.) zur Überarbeitung der »Qualification Guideline for Automotive Power Module« festgestellt, dass es zu Ausfällen beim HV-H3TRB-Test (High Voltage, High Humidity, High Temperature, High Reverse Bias; Anm. d. Red.) kommt. Dieser Fehler trat in der Vergangenheit nicht auf, da dieser Test standardmäßig für alle Leistungsmodule – unabhängig von deren Sperrspannung – bei 80 Volt durchgeführt wurde. Ein 1000-Volt-Schalter wurde demnach bei nur 80 Volt getestet, weil sonst die Verluste so hoch gewesen wären, dass keine Feuchtigkeit mehr auf dem Bauteil auskondensieren könnte. Das hat sich mittlerweile geändert. Bei den neuen Bauelementegenerationen laufen die Feuchtigkeitstest daher bei 80 Prozent Sperrspannung ab. Bei Traktionsantrieben in Zügen ist dieser Test noch viel bedeutsamer, da dort hochsperrende Bauelemente zum Einsatz kommen.

D&E: Es traten also neue Fehlermechanismen zutage, die vorher aufgrund der Prüfvorschrift nicht abgedeckt wurden.

Lorenz: Ganz genau. Die Diskussion über diese Fehlermodi, und wie sie zu beherrschen sind, läuft derzeit. Aber eine neue Prüfvorschrift, Feuchtigkeitstests bei 80 Prozent oder gar hundert Prozent Nennspannung durchzuführen, wird kommen. Darauf werden die Automobil- und Zughersteller pochen, denn das bildet ihren realen Einsatz ab. Man wird in Zügen beispielsweise doch nicht ein 3,3-kV-Modul nur bei 80 Volt betreiben!

Und das ist nur ein Punkt unter vielen, die bei solchen Workshops derzeit heiß diskutiert werden. Dort arbeiten wir an den Leitlinien für solche Prüfvorschriften. Aber die Angst, Fehler nicht zu finden, bleibt. Man kennt auch heute noch nicht alle Fehlerursachen, insbesondere wenn die Bauelemente applikationsspezifisch optimiert und bis an deren Grenzwerte betrieben werden.

D&E: Aber um die nötige Felderfahrung zu sammeln, haben die Halbleiterhersteller wohl keine andere Chance, als Produkte auszuliefern, die nach nur wenigen Jahren eventuell reklamiert werden.

Lorenz: Ja, diese Kröte muss man wohl schlucken. Ich habe das einmal live erlebt, als wir in den Jahren 1999 und 2000 bei Infineon begannen, die ersten SiC-Schottky-Dioden in großen Stückzahlen an einen Weltmarktführer für Stromversorgungen von Notebooks und Unterhaltungselektronik auszuliefern. Eine Vielzahl dieser Stromversorgungen kam postwendend defekt wieder zu uns zurück. Die paar Millionen Dollar Strafzahlung kann man ja noch verschmerzen, aber den beschädigten Ruf wiederherzustellen war eine riesige Aktion.

D&E: Leistungshalbleiter aus Silizium bleiben aber auch nicht stehen. Was tut sich da?

Lorenz: Da haben Sie Recht. Momentan werden die MOSFETs und IGBTs für die Applikation optimiert, es werden also ganz neue Spannungsklassen angeboten, beispielsweise 2,3 kV. Kein Mensch wollte das noch vor Jahren haben, aber das ist für Solaranwendungen mit 1500 Volt Gleichspannung optimal. Das Gleiche geschieht nun beim Auto, wo man auf 750 Volt geht. Aber da stellt sich auch die gerade diskutierte Frage nach Robustheit und Zuverlässigkeit der Bauteile neu. Die Möglichkeiten, die Silizium bietet, werden viel weiter ausgereizt. Und da können plötzlich Fehlermodi auftreten, die bislang unbekannt waren.

D&E: Ein Thema, das bei Siliziumkarbid immer wieder diskutiert wird, lautet: Soll ich gleich zu Trench-MOSFETs greifen oder zu planaren Bauelementen? Trench hat seine Vorteile, aber auch ein Problem mit dem Gate-Oxid, oder?

Lorenz: Das stimmt so pauschal nicht. Für beide Zellenstrukturen gilt: Das hohe elektrische Feld muss zum einen an der Randstruktur gezielt abgebaut werden und zum anderen muss das Gate-Oxid geschützt werden. An der Grenzfläche zum Oxid liegt bei Si-Bauelementen die elektrische Feldstärke im Kilovoltbereich bei SiC-Bauelementen im Megavoltbereich. Bei nahezu gleichen Oxiddicken – bei SiC-Bauelementen ist es sogar merklich dünner – würde dadurch die Lebensdauer des Oxids signifikant zurückgehen. Der große Unterschied von Trench- und Planar-MOSFET liegt darin, dass im Falle des Trench-MOSFETs der kritische Punkt an der tieferliegenden Trench-Kante liegt, beim planaren DMOS-Schalter in der Mitte der Zelle. In beiden Fällen müssen tiefliegende p-dotierte Gebiete das elektrische Feld vom Oxid fernhalten.

Ist der MOSFET durchgeschaltet, soll der Einschaltwiderstand natürlich möglichst klein sein. Es ist zu bemerken, dass sich dieser On-Widerstand bei heutigen SiC-MOSFETs bis etwa 1200 Volt Sperrspannung fast zur Hälfte 50 Prozent durch den Kanal bestimmt. Deswegen geht es darum, den Kanalwiderstand zu minimieren. Beim Trench-MOSFET kann man da durch die Strukturen einiges erreichen. Beim planaren D-MOSFET ist man da eher limitiert. Aus diesem Grunde gibt es einige Hersteller die eine höhere Gate-Steuerspannung – statt 15 Volt sogar 20 Volt – vorschlagen (siehe Bild 1, Anm. d. Red.). Zwar geht ein höheres Oxid-Feld mit einem niedrigeren Kanalwiderstand einher, andererseits kann dadurch auch die Lebensdauer des Gate-Oxids sinken.

Beim Kanalwiderstand und der Lebensdauer spielen also das Material, die Dicke und die Prozessierung des Gate-Oxids eine große Rolle. Auch ist zu berücksichtigen, dass die Dicke der thermischen Oxid-Deckschicht von der Kristallebene abhängt. Auf den ersten Blick hat es also nur Vorteile, SiC-MOSFETs mit höherer Gate-Spannung zu treiben: Schnelleres Schalten senkt die Schaltverluste, ein niedrigerer Einschaltwiderstand senkt die Durchlassverluste. Aber wie sieht es mit der Lebensdauer des Gate-Oxids aus?

Einige Hersteller geben in ihren Datenblättern an, man könne ihre SiC-MOSFETs mit 20 Volt ansteuern. Die große Frage wird hier sein, wie sieht die Langzeitlebensdauer dieser Transistoren aus? Niemand weiß das.

D&E: Sind das die einzigen Herausforderungen mit dem Gate-Oxid?

Lorenz: Nein. Auch im sperrenden Zustand gibt es Herausforderungen, denn das Dielektrikum muss dann drei Megavolt pro Zentimeter aufnehmen. Zum Vergleich: Bei Silizium sind es nur 200 Kilovolt pro Zentimeter. Daher muss man besonders bei Trench-MOSFETs das Gate-Oxid schützen. Dafür haben die verschiedenen Hersteller unterschiedliche Ansätze gefunden, um das elektrische Feld besser zu verteilen und zu vermeiden, dass sich das Feld beispielsweise an den Ecken des Gate-Oxids konzentriert (siehe Bild 2; Anm. d. Red.).

Die Belastung durch das hohe elektrische Feld lässt die Einsatzspannung über die Zeit nach oben driften. Das verschlechtert mit zunehmender Einsatzdauer natürlich den Einschaltwiderstand und treibt damit die Verluste im Bauteil in die Höhe. Gleichzeitig ist auch zu bedenken, dass die Einsatzspannung sinkt, wenn sich das Bauteil aufheizt.

D&E: Welche Möglichkeiten bieten sich da als Ausweg an?

Lorenz: ABB beispielsweise schlägt ein Gate-Oxid mit hoher Dielektrizitätskonstante vor. Ein solches ist aber nicht leicht zu prozessieren. Aber ABB erreicht damit – so zumindest behaupten sie –, dass die Einsetzspannung konstant bleibt (siehe Bild 3; Anm. d. Red.).

Die Kehrseite davon ist aber, dass die Temperaturabhängigkeit der Einsatzspannung größer ist. Wenn die Einsatzspannung weiter aber sinkt, so wird, behaupten einige, aus einem selbstsperrenden Bauteil ein selbstleitendes Bauteil. Das wird hier noch zu diskutieren sein.

D&E: Vergrößert sich dann nicht auch die Gefahr, dass der obere Schalter in einer Halbbrückenkonfiguration parasitär einschaltet?

Lorenz: Auf jeden Fall.

Herr Professor Lorenz, herzlichen Dank für das Gespräch.
Das Interview führte Ralf Higgelke.

REFERENZEN

[1] Video mit Prof. Nando Kaminski (Universität Bremen), Elektroniknet