Power-Module Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen

Autor / Redakteur: Martin Schulz * / Gerd Kucera

Die Lebensdauerabschätzung der Halbleiter ist beim Auslegen leistungselektronischer Geräte eine der Schlüsselaufgaben. Das Ermitteln der Chiptemperatur ist trotz Tücken genau zu erledigen.

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Bild 1: Leistungshalbleiteraufbau und thermisches Ersatzschaltbild
Bild 1: Leistungshalbleiteraufbau und thermisches Ersatzschaltbild
(Bild: Infineon)

Ein häufig anzutreffender Ansatz während der ersten Schritte einer Entwicklung ist es, eine grobe Abschätzung durchzuführen, welcher Halbleiter in der Applikation den gestellten Anforderungen genügt. Nach der Auswahl zeigen Simulationen, z.B. auf Basis von Datenblattangaben, ob die Abschätzung bereits die beste Wahl ergab oder ob andere Halbleiter zum Einsatz kommen müssen. Trotz aller Macht moderner Simulationswerkzeuge bleibt es unumgänglich, die errechneten Ergebnisse schon während der Entwicklung am Gerät zu überprüfen. Nur so ist sichergestellt, dass das thermische Budget eingehalten und die prognostizierte Lebensdauer erreicht werden kann.

Auch während des Betriebs eines Gerätes ist die Temperaturmessung unumgänglich, die verwendete Methodik im Vergleich zum Laboraufbau in der Regel aber eine andere. Eine Simulation beruht auf der mathematischen Beschreibung eines physikalischen Systems. Die Parameter die ein System beschreiben, müssen hinreichend genau bekannt sein, damit das Ergebnis der Simulation mit der physikalischen Realität übereinstimmt.

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WIWO-Charakter (Wrong Input, Wrong Output) einer Simulation

Oft bestehen selbst scheinbar einfache Systeme aus einer großen Vielfalt von Parametern. Nur einen einzigen davon nicht genau genug zu kennen reicht, um ein unzureichendes Simulationsergebnis zu erzielen. Als Beispiel für eine Fehlerquelle in thermischen Berechnungen sei das Wärmeleitmaterial (TIM) am Übergang von Leistungshalbleiter zu Kühlkörper genannt. Der in Bild 1 dargestellte Aufbau lässt sich mit den Materialparametern für thermische Kapazitäten und Leitfähigkeiten aus Datenblättern scheinbar leicht beschreiben.

In Datenblättern für Wärmeleitpasten findet der Entwickler eine Angabe zur thermischen Leitfähigkeit. Ausgehend von einer dünnen aber homogen aufgetragenen Schicht führt dieser Wert auf einen thermischen Widerstand RthCH der Wärmeleitpaste unter dem Halbleiter. In einer mit diesem Wert gestalteten Simulation führt das Material mit der höchsten Leitfähigkeit auf die kleinste Chiptemperatur. Bild 2 zeigt, dass eine Messung der Chiptemperatur einen anderen Eindruck vermittelt.

Die Messung untermauert, dass es zwischen dem Datenblattwert für Leitfähigkeit und der erreichten Chiptemperatur keine Korrelation gibt. Das WIWO-Prinzip (Wrong Input, Wrong Output) schlägt hier zu, weil der Datenblattwert zwar die Leitfähigkeit des Materials, nicht aber die Ausprägung der Kontaktwiderstände in Abhängigkeit von der Auftrags- und Montagetechnik beschreibt.

NTC-Messung: zwei Dinge gelingen damit nicht

Zur Beobachtung der Chiptemperatur im laufenden Betrieb kann der in vielen Modulen enthaltene Messfühler, ein Widerstand mit negativem Temperaturkoeffizient (NTC), Verwendung finden. Ist der thermische Pfad bekannt, der den NTC mit dem zu messenden Chip verbindet, existiert ein deterministischer Zusammenhang zwischen der am NTC ermittelten Größe und der Chiptemperatur.

Zwei Dinge gelingen mit diesem Ansatz nicht. Erstens: Wegen der hohen thermischen Kapazitäten gelingt keine Erfassung einer transienten Temperaturänderung. Zweitens: Eine Beschädigung des thermischen Pfades kann zu Fehlern führen, die der NTC nicht abbildet.

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