Thermische Impedanzmessungen zur Lebensdaueranalyse von Leistungselektronik

In Elektro- und Hybridfahrzeugen, in Windkraftanlagen und Computertomographen, aber auch in Werkzeugmaschinen ist die Leistungselektronik als Energiefluss-Steuerung verbaut. Jede Art von Elektronik erzeugt während des Betriebs Verlustwärme, welche abgeführt werden muss. Durch ein Benutzungsprofil, wie beispielsweise einer Automobil-Stadtfahrt, entsteht ein Lastwechselkollektiv für alle Komponenten. Die unterschiedlichen eingesetzten Materialien besitzen ein unterschiedliches thermisches Ausdehnungsverhalten. Die Elektronik-Schichtaufbauten werden besonders stark thermo-mechanisch belastet. Um diese Belastung zu testen haben sich in der Leistungselektronik aktive Lastwechselprüfungen als Standard-Lebensdauertests durchgesetzt. Dabei werden die Leistungshalbleiter durch Anlegen eines Laststr oms und der daraus entstehenden Verlustleistung erwärmt und anschließend durch Wegnahme des Stroms bzw. durch eine aktive Kühlung (Luft oder Flüssigkeit) abgekühlt. Dieser Ablauf wird solange wiederholt, bis sich die elektrischen und thermischen Eigenschaften (z.B. Leitfähigkeiten) um einen bestimmten Prozentsatz verändert haben. Danach wird das Bauteil als ausgefallen deklariert und dessen Ausfallmechanismus analysiert. Komponenten können so verbessert und eine Lebensdauermodellierung bzw. Prognostik durchgeführt werden. Es besteht das Problem, dass diese Tests sehr kostenintensiv und langwierig sind. Zudem ist die Schädigung der Aufbau- und Verbindungstechnik bei detektierbaren Messwertänderungen bereits sehr weit fortgeschritten, was die Ausfallanalyse erschwert. Der Vortrag beinhaltet eine Methode Ausfälle früher erkennen zu können. Bei diesem Vorgehen wird während aktiver Lastwechseltests in jedem 2. Zyklus das Abkühlverhalten des Halbleiters gemessen und anschließend mit einer Cauer-Ersatz-Netzwerkmodellierung in thermische Kapazitäten Cth,Ci und Widerstände Rth,Ci zerlegt. Die einzelnen Cth,Ci und Rth,Ci werden danach Schichten (z.B. Lotschicht, Leiterplatte oder Wärmeleitpaste) im Bauteil angenähert. Die thermischen Größen werden nun einzeln bewertet. Hierdurch können Degradationseffekte frühzeitig erkannt, und die folgenden Ausfallanalysen (beispielsweise mittels Querschliffen und Focused-Ion-Beam Schnitten) zielgerichteter durchgeführt werden. In dem Vortrag wird die Testmethodik anhand von Beispielen vorgestellt und die anschließende Ausfallanalyse aufgezeigt. De r Fokus liegt auf der Interpretation der Testergebnisse.