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.
Jobangebote+ passend zum Thema
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.
- Dem Verschleiß entgegentreten
- Auf Lebensdauer auslegen
- Neue Möglichkeiten bei der Verbindungstechnik
- Probleme bei den Wärmeleitmaterialien
Lesen Sie mehr zum Thema
Das könnte Sie auch interessieren
Interview Dr. Martin Schulz, Infineon
Power für Männerspielzeug
Toshiba Electronics
4500-V-IEGT-Modul schafft 1200 A
Schnell schaltende Bauelemente
Niederinduktiver Aufbau steigert Wirkungsgrad
Leistungshalbleiter für Hybrid- und…
Das optimale Chipgehäuse einsetzen
Leistungselektronik
Systemdesign für SiC-JFET-Halbbrücken-Module
Smart Home, Smart Grid, Bahntechnik
Wie Leistungshalbleiter die Systemlebenszeit verlängern
Power-MOSFETs
Ausgangskapazität korrekt bestimmen
Simulation mit SPICE
Tanh-Modell für die Simulation von MOS-Transistoren
Online-Tool ezIGBT
Bis zu drei IGBTs direkt vergleichen
Selbstsperrender GaN-Transistor
Echte Alternative zum MOSFET
Online-Tool ezIGBT
IGBTs verschiedener Hersteller online vergleichen
Lebensdauer von IGBTs
Messung von transienten thermischen Widerständen
