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.

Die drohende Überhitzungim Betrieb bleibt unbemerkt

In Bild 3 ist das thermische Ergebnis eines Versuchsaufbaus dargestellt, in dem der thermische Transfer im oberen Drittel des Moduls durch Verdrängung der verwendeten Wärmeleitpaste geschädigt ist. Da der NTC nicht im kritischen Bereich liegt, erfährt er keinen Temperaturhub. Die drohende Überhitzung am oberen Chip bleibt im Betrieb unbemerkt.

Aufgabe und Nutzen der In-Situ-Messung

Der In-Situ-Messung geht eine Kalibrierung voraus. Mittels externer Erwärmung wird die Chiptemperatur eingestellt und bei kleinem Vorwärtsstrom die Spannung am Halbleiter gemessen. Die gewonnene Kennlinie ist eindeutig und umkehrbar, aus einer bei kleinem Strom gemessenen Spannung gelingt der Rückschluss auf die Temperatur des Halbleiters.

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Bei der Messung an einem einzelnen Chip und bei intakter thermischer Anbindung des Moduls gelingen so exakte und mit hoher Präzision reproduzierbare Ergebnisse. Die Methode eignet sich insbesondere im Labor und für Charakterisierungsmessungen.

Speziell bei höheren Leistungen kommen Module zum Einsatz, in denen IGBTs und Dioden parallel geschaltet sind. Die Hersteller der Module erreichen durch geeignete Aufbau- und Verbindungstechnik, dass die Stromaufteilung im Modul symmetrisch ist und somit alle Chips im Betrieb die gleiche Temperatur erreichen. Der positive Temperaturkoeffizient der Vorwärtsspannung moderner Halbleiter führt zu einem zusätzlichen dynamischen Ausgleich, der die Differenzen zwischen einzelnen Chips weiter reduziert. Der dann von der Messung gelieferte Mittelwert aller am Stromtransport beteiligten Halbleiter entspricht bei hinreichend kleiner Stromfehlverteilung der Chiptemperatur.

Wenn sich die thermische Kopplung verändert hat

Das beschriebene Vorgehen setzt stillschweigend voraus, dass die thermische Anbindung aller Halbleiterelemente an den Kühlkörper von gleicher Qualität ist, was nach einer langjährigen Betriebsphase nicht zwangsläufig gegeben ist.

Wie auch bei der Messung mittels NTC fallen dann Abweichungen an einem einzelnen Chip nicht auf, wenn der thermische Übergangswiderstand zwischen Bodenplatte und Kühlkörper lokal beschädigt ist. Im gemessenen Mittelwert geht ein ggf. zerstörerisches Maximum unter. Aus diesem Grund eignet sich die Methode gut für die Arbeit im Labor; in der Applikation im Dauereinsatz können die Ergebnisse irreführend sein.

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.

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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