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  • Publication
    Design Tool for Temperature Estimation on PCB
    ( 2022)
    Schroeder, Bernd
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    Mueller, Olaf
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    Stube, Bernd
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    The paper presents a novel thermal analysis approach based on an estimation of current density, power dissipation and temperature distribution of a printed circuit board. The implemented algorithms are integrated in a design tool that can be used as an add-on tool via interfaces to commercial EDA tools. The calculations are based on imported layout data from the EDA tools and not on Gerber data. The current density is calculated with a separate PEEC solver. The developed design tool automatically generates the necessary 3D model, activates the PEEC solver and extracts its calculation results. Subsequently, the implemented thermal solver of the design tool calculates the power dissipation and temperature distribution for a previously assigned current. This efficiently supports the PCB designer already during the layout process. The method is validated by simulations and measurements on typical boards.
  • Patent
    Verbindungsmethode für Leistungsmodule mit einer Zwischenkreisverschienung
    System umfassend ein Leistungsmodul umfassend einen Halbleiter und eine erste Verbindungsstelle und eine zweite Verbindungsstelle, die mit dem Halbleiter elektrisch leitend verbunden ist sowie eine Zwischenkreisverschienung umfassend zumindest zwei Schienen, wobei eine erste der zwei Schienen zumindest ein Kontaktelement aufweist, und wobei das zumindest eine Kontaktelement mit der ersten Verbindungsstelle eine elektrisch leitende Kaltverschweißverbindung formt.
  • Patent
    Wechselspannungsversorgungseinrichtung
    Die Erfindung betrifft:eine Wechselspannungsversorgungseinrichtung zum Umwandeln einer energieliefernden Gleichspannung in eine erste Wechselspannung und in eine von der ersten Wechselspannung galvanisch getrennte zweite Wechselspannung;eine Gleichspannungsversorgungseinrichtung zum Umwandeln einer energieliefernden Gleichspannung in eine erste Gleichspannung und in eine von der ersten Gleichspannung galvanisch getrennte zweite Gleichspannung;eine Treiberschaltung zum Ansteuern eines ersten Leistungshalbleiters und eines zweiten Leistungshalbleiters; sowieeine Leistungshalbleiterschaltung mit einem ersten Leistungshalbleiter, mit einem zweiten Leistungshalbleiter und mit einer Treiberschaltung.
  • Patent
    Vorrichtung und elektrische Baugruppe zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung
    ( 2014)
    Domurat-Linde, André
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    Ringkleff, Thomas
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    Enzinger, Tobias
    Ausführungsbeispiele beziehen sich auf eine elektrische Baugruppe (1) zum Wandeln einer Gleichspannung in eine Wechselspannung, die eine erste Versorgungsspannungsfläche (10) zum Verteilen einer ersten Versorgungsgleichspannung und eine zweiten Versorgungsspannungsfläche (12) zum Verteilen einer zweiten Versorgungsgleichspannung aufweist. Die elektrische Baugruppe (1) umfasst zumindest einen ersten Leistungshalbleiter (24) mit einem mit der ersten Versorgungsspannungsfläche (12) verbundenen Eingangsanschluss und einem mit einem Wechselspannungsausgang (20a) der Baugruppe verbundenem Ausgangsanschluss (28).; Die elektrische Baugruppe (1) umfasst ferner zumindest einen zweiten Leistungshalbleiter (26) mit einem mit der zweiten Versorgungsspannungsfläche (12) verbundenen Eingangsanschluss (32) und einem mit dem Wechselspannungsausgang (20a) der Baugruppe verbundenen Ausgangsanschluss, wobei sich die erste Versorgungsspannungsfläche (10) auf der dem Eingangsspannungsanschluss des ersten Leistungshalbleiters (24) zugewandten Seite des ersten Leistungshalbleiters (24) erstreckt. Darüber hinaus erstreckt sich die zweite Versorgungsspannungsfläche (12) auf der dem Eingangsspannungsanschluss (32) des zweiten Leistungshalbleiters (26) abgewandten Seite des zweiten Leistungshalbleiters (26).
  • Publication
    Aufbau- und Verbindungstechniken in der Leistungselektronik
    Leistungshalbleiter verbesserten sich in den vergangenen Jahrzehnten in nahezu allen Leistungsdaten wie z.B. den Schaltgeschwindigkeiten, den Leit- und Schaltverlusten sowie in der Temperaturbeständigkeit. Auch mit den aufkommenden Halbleiter-Materialien Siliziumkarbid (SiC) und Galliumnitrid (GaN) wird sich dieser Trend noch einige Zeit fortsetzen. Auf dem Gebiet der Leistungselektronikmodule bedeutet dieses auch steigende maximale Temperaturbelastungen, vermutlich höhere Temperatur-Wechselbeanspruchungen und damit steigende Anforderungen an die auszuwählenden Materialien, die einzusetzenden Aufbau- und Verbindungstechniken (AVT) und die Zuverlässigkeit im Feld. Bei den etablierten AVT wie z.B. bleifreien Löttechnologien für den Die Attach oder Draht- und Bändchenbondtechnologien als Chipoberseitenankontaktierung sind die Fehlermechanismen als Kriech- und Ermüdungsrisse sehr wohl bekannt, weshalb sich momentan in vielen Firmen und Forschungseinrichtungen aktuelle Entwicklungsprojekte mit alternativen Materialien und mehr zuverlässigen Verbindungstechnologien auseinandersetzen. Dabei zielen alle Anstrengung darauf ab, bei aktiver und/oder passiver Temperaturwechselbeanspruchung entweder 1. das thermische Management zu verbessern, um den Temperaturhub zu senken, 2. Materialien mit angepassten thermischen Ausdehnungskoeffizienten einzusetzen - was sich eher auf Substrate und Kühlkörper bezieht -, um die mechanischen Spannungen und Dehnungen zu reduzieren, und 3. höher festere und/oder höher schmelzende Verbindungswerkstoffe einzusetzen, um die zu ertragende Zykelanzahl bis zum Ausfall der Kontaktstelle zu erhöhen. Nach einem kurzem Überblick über den derzeitigen Kenntnistand der Versagensmechanismen bei Standardkontaktiertechnologien für Power Module soll der Schwerpunkt dieses Artikels auf dem oben genannten 3. Punkt, nämlich auf den alternativen Verbindungstechnologien für ungehäuste Powerchips liegen.
  • Publication
    Technologies and Trends to Improve Power Electronic Packaging
    In the realm of power modules a strong trend toward high temperature and high reliability ap-plications can be observed, which entails new technological challenges, especially for the assembly and packaging of power semiconductors. Because of the well known failure mechanisms of established lead-free standard soldering and heavy aluminum wire bonding technologies, such as fatigue and creep of die attach material and wire bonds at thermal cycling, academic and industrial research focuses on more reliable interconnection technologies. A priority is the research of alternative top and bottom side chip interconnection-materials or technologies to improve the temperature cycling strength of power chips typically assembled on ceramic substrates. The scientific focus is on Ag sintering as die attach and/or heavy ribbon bonding, for example with Al or bi-metal (Al-Cu). Our paper discusses the relevance of powder shape and size for the reduction of process pressure and temperature. Another focus are the material behavior of ribbon bonds in combination with bonding machine improvements (higher bonding parameters, cutting tool). But there are other very promising technologies like transient liquid phase bonding, for example with Cu-Sn or Ag-Sn systems or Cu heavy wire bonding (up to 400 µm wire diameter). Challenges posed by these technologies have to be discussed focusing on materials and process selection and reliability issues. Process temperatures and temperature profiles must be optimized, wire bonding machines and the chip surface structures as well as finish metallizations need to be adapted. The presentation will give an overview of alternative power chip interconnection technologies and discuss the challenges related to processing and reliability.
  • Publication
    Investigation of pulse overload-behavior of a high-current connector with transient-thermo-electric FEM simulation
    ( 2012)
    Bochow-Ness, Olaf
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    Grams, Arian
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    Potter, Harald
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    Prewitz, Tobias
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    Wittier, Olaf
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    Wust, Felix
    To meet the energy requirement of electrical components in industrial power applications, plug-in electrical connectors with contact fins are used. With a contact resistance below 0,1 mQ this connector type can deliver currents of 100 A and higher. For the selection of the suitable connector size with limited available space or cooling, the designer needs an understanding how the connector reacts to electrical currents, including continuous load and pulse overload conditions. As datasheets typically include no information about pulse overload conditions, we developed a method to establish a thermo-electrical model for calculating the hot-spot temperature in the connector. Based on a literature study, absolute maximum ratings for the internal hot-spot temperature are discussed. With Infrared (IR) thermal imaging measurements on the connector time-dependent temperature readings were gathered for current pulses up to 8000 Arms and a pulse duration of 100 ms. Geometry and m aterial information were determined to build a transient thermal-electric finite elements method (FEM) model. For some parameters like contact area and thermal contact resistance an inverse modelling technique was applied, comparing simulation results and measurements. Based on the model, hot-spot temperature and location could be identified. As the FEM model took several hours to be calculated, we derived a lumped thermal system model from the full model, representing the FEM model by a Foster network. The network is only able to calculate the hot-spot temperature, but with a calculation time of seconds.
  • Publication
    Entwicklungsrichtungen für das Leistungshalbleiter Packaging
    Die kontinuierliche Steigerung der Leistungsdaten führen bei den Leistungshalbleitern zu einer immer höheren Temperaturbelastung. Daraus erwachsen sowohl der Bedarf nach neuen Materialien, die eine höhere thermische Stabilität besitzen, als auch nach neuen Verarbeitungstechniken. Neben neuen Substratwerkstoffen kommen hierfür vor allem neuen Materialien für den Aufbau der Verbindungen in Betracht, aber auch beständigere Vergussmassen mit Glastemperaturen von mehr als 280 °C. Zu den neuen Verarbeitungstechniken zählen Sintern oder Diffusionslöten. Darüber hinaus werden Leiterplatten mit integrierter Isolation erzeugt sowie Isolationsschichten durch Kaltgasspritzen aufgebracht, bei denen die Materialsauswahl sehr weitreichend ist die Leiterbahnen kaum mechanisch und thermisch beeinflusst werden.
  • Publication
    Fortschritte beim Aufbau von Leistungshalbleitern
    Die Aufbautechnik für Leitungselektronik strebt nach einer Erhöhung der thermischen Performance, der thermomechanischen Zuverlässigkeit, der Beständigkeit bei höheren Betriebstemperaturen sowie höchstmöglicher Systemintegration. Neben dem Silbersintern existiert eine Fülle vielversprechender Lösungsansätze.