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Fünf Fettnäpfchen beim Bestimmen thermischer Größen

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Temperaturerfassung mit Thermoelementen

Besteht die Möglichkeit für eine Messung einen Sonderaufbau zu gestaltet bietet es sich an, Thermoelemente auf einen Chip zu kleben und die Temperatur auf dem Chip direkt zu messen. Auch diese Methode führt auf reproduzierbare und exakte Ergebnisse, bedarf aber eines umfangreichen mechanischen Eingriffs in das Halbleitermodul.

Unter applikationsnahen Bedingungen ist die Messung mit nur einem Thermoelement eventuell wenig aussagekräftig. In vielen Applikationen besteht die Möglichkeit, dass der Antrieb mit Umlaufgeschwindigkeit 0 Hz arbeiten muss. Hierbei kann die Konstellation ungünstig ausfallen und der Chip mit Thermoelement nicht am Stromtransport beteiligt sein. In diesem Sonderfall bleibt der gemessene Chip kalt, während ein anderer Chip bei Höchstlast arbeitet.

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Die Vorgehensweise birgt auch ein elektrisches Risiko.: Bei der Nutzung von mehr als einem Thermoelement ist unbedingt darauf zu achten, dass keine garantierte Isolation zwischen dem Messfühler und dem Chip besteht; Sensoren könnten somit auf hohem Potenzial liegen. Eine Auswertelektronik, die alle Sensoren auf ein gemeinsames Massepotenzial bezieht, darf dann nicht zum Einsatz kommen.

Auch bei der Thermographie-Methode entsteht ein Eingriff in das Halbleitermodul, da für eine exakte Bestimmung der Chiptemperatur nur ein sogenannter Schwarzer Strahler in Frage kommt. Die zu messende Oberfläche muss mit einem speziellen Lack beschichtet sein. Wegen der dann fehlenden Isolation kann der Betrieb des Halbleiters nicht bei hohen Spannungen erfolgen. Die Einprägung der notwendigen Verlustleistung geschieht in dieser Messung mittels einer strombegrenzten Spannungsquelle, die in der Lage ist, bei wenigen Volt Ströme von einigen hundert Ampere zu liefern.

Temperaturermittlung per Infrarot-Kamera

Die Beobachtung mit der IR-Kamera vermittelt hier einen guten Überblick über die thermischen Verhältnisse, die sich in der Applikation einstellen. Insbesondere eine Störung der thermischen Anbindung fällt in dieser Messung umgehend auf.

Bei der Bestimmung der Maximaltemperatur an einem Chip ist zu beachten, dass der heißeste Punkt in der Messung eventuell nicht auf dem Silizium, sondern an einem der Bonddrähte vorliegt. Bild 4 zeigt eine Auswertung, in der die Maximaltemperatur an einem Chip ermittelt wurde. Die Position des heißesten Punktes auf der eingetragenen Linie ist aus einer vorangegangenen flächigen Auswertung bekannt.

Am Chip selber entsteht eine Maximaltemperatur von 99 °C. Eine weniger aufwändige Auswertung, bei der innerhalb einer Fläche das Maximum über die gesamte Chipfläche von der Analyse-Software ermittelt wird, liefert einen Wert von 104 °C.

Eine wichtige Überlegung zum Schluss

Literatur und Normen machen vielfältige Vorschläge dazu, wie die Chiptemperatur zu messen sei. Für den Entwickler stellt sich jedoch zunächst die Frage, welchen Zweck die Messung verfolgt und wie genau das Ergebnis sein muss. Die Auswahl eines geeigneten Messverfahrens hat eine direkte Auswirkung auf die Messgenauigkeit, den Preis der Messung und die von der Messung erreichte Langzeitstabilität. Ein kritischer Blick auf die Ergebnisse und die möglichen Fehler, die sowohl die Simulation als auch die Messtechnik zulassen, ist daher immer angebracht.

* Dr.-Ing. Martin Schulz arbeitet im Application Engineering bei Infineon Technologies AG, Warstein.

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