Effektive Lebensdauerermittlung durch numerische Simulation

| Autor / Redakteur: Marco Pennetti und Melanie Litzkow * / Gerd Kucera

Bild 1: Vorgehensweise für die Lebensdauerermittlung durch Simulation und Versuch.
Bild 1: Vorgehensweise für die Lebensdauerermittlung durch Simulation und Versuch. (Bild: ZFW)

Zur Lebensdauerabschätzung von Leistungshalbleitern ist die numerische Simulation ein wichtiges Werkzeug. Prognosen sind damit in wenigen Tagen statt Monaten möglich.

Wenn Leistungshalbleiter die gegebene elektrische Energie in die jeweils vom Verbraucher benötigte Form umwandeln, entsteht eine elektrische Verlustleistung, die zum Temperaturanstieg des Halbleiters führt. Mit zyklischer Wiederholung dieses Vorgangs führt diese Belastung unweigerlich zum Altern und Ermüden der Leistungshalbleiter. Hierbei ist die Aufbau- und Verbindungstechnik im Leistungshalbleiter die größte Schwachstelle. Während der Belastungszyklen werden Deformationen im plastischen Bereich erreicht und Verformungsenergie akkumuliert. Die Funktionsfähigkeit des Leistungshalbleiters wird hierdurch auf Dauer beeinträchtigt.

In Traktionsanwendungen ist mittlerweile eine Lebensdauer der Leistungshalbleiter von 30 Jahren eine übliche Forderung. In der Vergangenheit wurde eine Mindestlebensdauer der Elektronik durch großzügige Überdimensionierung sichergestellt. Mit fortschreitender Miniaturisierung, größerer Leistungsdichte und steigendem Wettbewerbsdruck ist dieses Vorgehen jedoch nicht mehr wirtschaftlich und somit veraltet. Um die anspruchsvollen Zuverlässigkeitsbedingungen erfüllen zu können ist ein Zusammenspiel aus modernen Messmethoden notwendig.

Die Lebensdauer von Leistungshalbleitern wird in der Entwicklungsphase durch Lastwechseltests bestimmt. Diese sind sehr umfangreich und zeitaufwändig, überdies werden dazu physikalische Prototypen benötigt. Exakte Aussagen über den Belastungszustand und die Ausfallursache können trotzdem nicht getroffen werden.

Eine Möglichkeit, Lastwechseltests auf ein Minimum zu reduzieren, bieten Simulationen auf Grundlage der Finiten Elemente Methode (FEM). Spannungs- und Dehnungszustände der Bauteile werden unter Betriebsbedingungen simuliert und lebensdauerbestimmende Parameter berechnet. Lebensdauerprognosen können dadurch im Vorfeld bezüglich diverser Aufbauten getroffen werden.

Die Vorgehensweise zur Lebensdauerermittlung von Leistungsmodulen mittles Prüfstandversuchen und numerischer Simulation ist in zwei Phasen unterteilt (Bild 1): In der Kalibrierungsphase werden mit Hilfe beschleunigter Lastwechseltests und FE-Simulationen zwei verschiedene Belastungsfälle durchgeführt, um das Coffin-Manson-Model zu kalibrieren. Dieses beschreibt den Zusammenhang zwischen der mechanischen Belastung Δεpl und der maximal möglichen Anzahl von Lastzyklen (Lebensdauer) Nf. In dieser ersten Phase werden die Unbekannten C1 (Coffin-Manson-Koeffizient) und C2 (Exponent) bestimmt.

In der Vorhersage-Phase lässt sich allein durch FE-Simulationen und das kalibrierte Coffin-Manson-Model die Lebensdauer bestimmen. Rechnungen ersetzen langwierige Prüfstandversuche; Lebensdauerabschätzungen, die normalerweise Monate dauern würden, können so, abhängig von den eingesetzten Berechnungsressourcen, in wenigen Tagen durchgeführt werden. Ein Beispiel: Der Lastwechselversuch für einen Temperaturhub von 70 K etwa dauert am Lastwechselprüfstand 175 Tage, die Simulation mit Konfiguration der Lebensdauergleichung plus Messung von zwei Kalibrierpunkten benötigt weniger als zwei Wochen.

Die numerische Simulation hat sich bei Lebensdauerbetrachtungen zu einem wichtigen Werkzeug entwickelt. Thermische, elektrodynamische, strömungsmechanische und mechanische Berechnungen werden miteinander gekoppelt (Bild 2). Diese multiphysikalische Kopplung ermöglicht es, komplizierte Wechselwirkungen zwischen verschiedenen physikalischen Einflüssen innerhalb eines Bauteils zu untersuchen. Durch die Erwärmung ändern sich beispielsweise der elektrische Widerstand und die Festigkeitskennwerte der eingesetzten Werkstoffe. Damit lässt sich in elektronischen Anwendungen der Erwärmungsprozess abbilden und Verlustleistungen sowie die daraus resultierenden thermisch induzierten Spannungen berechnen. Der versagenskritische Parameter der strukturmechanischen Analyse ist der plastische Dehnungsanteil Δεpl je Belastungszyklus. Mit diesem Parameter und der kalibrierten Coffin-Manson-Gleichung ist die Lebensdauer der Leistungsmodule berechenbar.

Der große Vorteil der Simulation ist, dass die Lebensdauer der Bauteile schnell prognostiziert werden kann. In Bild 3 wird die Auswertung der mechanischen Spannung bei einer FE-Analyse an einem Bonddraht dargestellt.

Damit lassen sich die kritischen Stellen ermitteln. Bei Prüfstandversuchen ist das nur mit einer aufwändigen Analyse der Prüflinge nach dem Test durch Röntgenaufnahmen und Schliffbilder möglich. Ein weiterer Vorteil der multiphysikalischen Simulation und einer Lebensdauergleichung für plastische Dehnungen zeigt sich bei Variantenstudien in frühen Entwicklungsphasen. Ein physikalischer Prototyp wird nicht benötigt; allein das CAD-Modell muss angepasst werden, um Aussagen über die Lebensdauer treffen zu können.

Im Bild 4 ist das Coffin-Manson-Diagramm eines Leistungsmoduls dargestellt. Dabei ist die Lebensdauer Nf über dem plastischen Dehnungsanteil pro Zyklus Δεpl in doppelt-logarithmischer Darstellung aufgetragen. Somit wird der lineare Zusammenhang der Variablen visualisiert und die entsprechenden Belastungszustände (ΔTj) mit verschiedenen Symbolen gekennzeichnet. An diesem Beispiel wird sichtbar: je geringer die thermische Belastung, desto kleiner ist der plastische Dehnungsanteil und entsprechend höher ist die zu erwartende Lebensdauer. Für die Lebensdauerermittlung allein mit dem Lastwechseltest würde eine Prüfzeit von 283 Tagen benötigt. Mittels numerischer Simulationen kann die Ermittlung der Lebensdauer auf wenige Tage reduziert werden.

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