Wärmemanagement Echtzeit-Diagnose von Fehlern in Leistungselektronik-Modulen

Autor / Redakteur: John Isaac * / Kristin Rinortner

Die Zuverlässigkeit von Leistungselektronik-Komponenten wird durch thermo-mechanisch bedingte Ausfälle verringert. Der Artikel zeigt, wie man Lastwechsel mit einer Echtzeitdiagnose kombiniert.

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Beispiel eines relativ kleinen Low-Power-Moduls mit vier IGBTs: Die Palette der Module reicht von einigen 100 A bis zu 1500 A
Beispiel eines relativ kleinen Low-Power-Moduls mit vier IGBTs: Die Palette der Module reicht von einigen 100 A bis zu 1500 A
(Bild: VBM-Archiv)

Leistungselektronikmodule für Automobile (Elektro- und Hybridfahrzeuge, Ladegeräte, etc.), erneuerbare Energiequellen (Photovoltaik-Wechselrichter, Windkraftanlagen, Solarparks, Solarpaneele wie an Satelliten), Bahnanwendungen (Antriebskomponenten, Traktionskontrolle, etc.) und High-end-Motorantriebe erfordern eine hohe Zuverlässigkeit. Viele dieser Anwendungen müssen über Jahrzehnte fehlerfrei arbeiten.

Beeinträchtigt wird diese hohe Zuverlässigkeit meist durch einen thermisch bedingten Ausfall. Belastungen und Wärme durch Lastwechsel können die Module beschädigen, da Wärme, die an der Sperrschicht der Halbleiterkomponenten entsteht, durch das Modul nach außen an die Umgebung abgeleitet werden muss.

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Der kontinuierliche Zyklus von Erwärmung, Kühlung, Erwärmung und Kühlung erzeugt hohe Belastungen. Aufgrund von Ermüdung können sich Bond-Drähte aufstellen oder Fersenrisse bis zum Totalausfall weiterentwickeln. Die Schichten der Module, insbesondere die Die-Befestigung, delaminieren und brechen unter der thermo-mechanischen Belastung. Der Ausfall der Module erfolgt unter Umständen nach Zehntausenden und sogar Millionen von Arbeitszyklen (Bild links).

Die Herausforderung besteht darin, diese Ausfälle in angemessener Zeit zu testen; zum Beispiel während der Designphase des Moduls, als Teil der Qualitätssicherung des Fertigungsprozesses oder bei Eingangsstichproben von Tier-1-Zulieferen und OEMs, die die Module verwenden werden. In solchen Fällen muss die Prüfdauer auf dem Tester beschleunigt werden. Genauso wichtig ist es, eine klare Vorstellung zu haben, was letztendlich zum Ausfall geführt hat. Nur so kann für Module eine Lösung gefunden werden, die eine geringere Lebensdauer aufweisen als erwartet.

Das ideale Verfahren für Lebensdauerprüfungen bietet ein Prüfgerät, das Lastwechsel durchführen, fortschreitende Fehler diagnostizieren und die endgültige Ursache des Fehlers finden kann. Diese Möglichkeit bietet der MicReD Industrial Power Tester 1500A von Mentor Graphics (Bild 1). Er kombiniert Lastwechsel (bis zu 1500 A) mit Datenerfassung und Diagnose in Echtzeit. Die Echtzeitdiagnosen beruhen auf präzisen Mustern der thermischen Eigenschaften, die von der Hardware MicReD-T3Ster zur Verfügung gestellt werden. Diese Muster haben sich während der letzten zwölf Jahre im Labor bewährt und sind mit dem neuen Prüfgerät nun in einer industriellen Umgebung verfügbar.

Das Gerät wurde für Spezialisten und Techniker im Fertigungsbereich konzipiert. Wichtige Aspekte für die Benutzerfreundlichkeit und Genauigkeit sind das Setup und die Ausführung, die über einen Touchscreen gesteuert werden.

Über diese Benutzerschnittstelle lassen sich die Charakteristiken des zu testenden Moduls leicht eingeben. Eine Bibliothek mit typischen Komponenten liefert einen Kandidaten, der modifiziert werden kann, damit er dem tatsächlichen Modul entspricht. Bis zu drei Prüflinge lassen sich gleichzeitig programmieren und mit bis zu 1500 A testen. Über den Touchscreen kann der Benutzer dann die Testsequenzen einrichten und die Diagnosedaten erfassen und darstellen. All diese Setup-Informationen sind für zukünftige Rückrufe und Wiederverwendungen speicherbar. Mit vielen Sicherheitsfunktionen, welche die Tests ständig überwachen, kann der Tester für Stunden, Tage oder Wochen unbeaufsichtigt in Betrieb sein (Bild 2).

Zu den Fehlern, die üblicherweise in einem Modul auftreten, gehören die Schwächung der Bond-Drähte, das Ablösen der Bond-Drähte aufgrund von Lotermüdung, Rissen im Die bzw. Substrat oder die Delaminierung der verschiedenen Substratschichten. Wie kann der Tester nun einige dieser Fehlerursachen feststellen?

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