Zuverlässigkeitstests

Der Einfluss von Lastwechseln auf die Lebensdauer von IGBTs

| Autor / Redakteur: John Parry * / Kristin Rinortner

Lebensdauer von Elektronikkomponenten: Die Tester prüfen die Zuverlässigkeit von Leistungselektronikkomponenten, die immer häufiger in der Automobilindustrie und im Transportwesen verwendet werden.
Lebensdauer von Elektronikkomponenten: Die Tester prüfen die Zuverlässigkeit von Leistungselektronikkomponenten, die immer häufiger in der Automobilindustrie und im Transportwesen verwendet werden. (Bild: Mentor)

Mit MicReD-Power-Testern lässt sich mithilfe von Lastwechseln und thermischen Tests die Lebensdauer von Elektronikkomponenten messen. Der Beitrag beschreibt zwei Beispiele.

Die Hersteller arbeiten intensiv daran, den maximalen Leistungsgrad und die Strombelastbarkeit heutiger Leistungselektronikmodule (IGBT) zu erhöhen und gleichzeitig deren hohe Qualität und Zuverlässigkeit zu gewährleisten.

Innovationen haben zu neuen Technologien geführt, zum Beispiel zu Keramiksubstraten mit verbesserter Wärmeleitfähigkeit, Ribbon-Bonding als Ersatz für dicke Bond-Drähte und lötfreie Die-Attach-Technologien, welche die Lastwechselfähigkeit der Module erhöhen. Da die Chips, die erforderlichen DBC- (Direct Bond Copper) Substrate und verschiedene Die-Attach-Materialien auf dem freien Markt verfügbar sind, können Endkunden Leistungsmodule selbst entwickeln und fertigen.

Diese Flexibilität ist zwar hilfreich für benutzerdefinierte mechanische Designs, Wärmeverhalten und Zuverlässigkeitsprobleme können jedoch in Anwendungen mit hohen Anforderungen wie Hybrid-/Elektrofahrzeuge zu Problemen führen. Während des Betriebs verursachen hohe Sperrschichttemperaturen und hohe Temperaturgradienten mechanische Belastungen, insbesondere bei Werkstoffen mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten.

Diese können zu Degradation oder vollständigem Ausfall der Komponenten führen. Durch gutes thermisches Design und entsprechende Materialauswahl lassen sich vorzeitige Ausfälle vermeiden.

Automatisierter Prozess zur Qualifizierung der Zuverlässigkeit

Der „1500A Power Tester“ von Mentor Graphics automatisiert den Prozess zur Qualifizierung der Komponentenzuverlässigkeit, so dass die Lebensdauer der Leistungsmodule verlässlich eingeschätzt werden kann. Der Power-Tester deckt Schwachstellen auf, die während der Entwicklung beseitigt werden können und hilft so, die Zuverlässigkeit und Lebensdauer zu verbessern.

Der vorliegende Beitrag beschreibt eine Anwendung des Power-Testers mit vier IGBT-Modulen im mittleren Leistungsbereich, die über zwei Halbbrücken verfügen, und zeigt die umfangreichen Daten auf, die aus den automatisierten Lastwechseln der Module gewonnen werden können. Der Artikel ist ein Auszug aus den beiden referenzierten Fachbeiträgen (siehe online-Version).

Versuchsaufbau

Die Leistungsmodule werden im Power-Tester auf einer flüssigkeitsgekühlten Kühlplatte mit einem hochleitfähigen Thermal-Pad, der den Wärmewiderstand der Grenzfläche minimiert, befestigt. Während des gesamten Versuchs hält der Power-Tester die Temperatur der Kühlplatte mit Hilfe eines Kühlkreislaufs konstant auf 25 °C. Die Gates der Komponenten werden mit ihren Drains verbunden (das sogenannte „magnified diode setup“), wobei jede Halbbrücke mit einer eigenen Treiberschaltung angesteuert wird.

Zwei Stromquellen werden mit jeder Halbbrücke verbunden. Eine Hochstromquelle, die schnell ein- und ausgeschaltet werden kann, dient dazu, die Leistung an den Modulen schrittweise zu verändern. Eine Quelle mit niedriger Stromstärke sorgt für eine kontinuierliche Vorspannung der IGBTs, so dass die Temperatur der Module während der Erwärmung gemessen werden kann. Dies geschieht über einen separaten Messkanal des Power-Testers.

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