Mess- und Simulationsverfahren Lebensdauerbetrachtungen unter mechanischer Belastung

Autor / Redakteur: Christian Rommelfanger * / Gerd Kucera

Die Bestimmung der mechanischen Belastung von Bauelementen ist hinsichtlich Zuverlässigkeitsprognose in der Konzeptphase ebenso wichtig wie die thermische und elektrodynamische Analyse.

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Bild 1: Lebensdauermodelle durch Simulation und Versuch.
Bild 1: Lebensdauermodelle durch Simulation und Versuch.
(Bild: ZFW)

Garant für Kundenzufriedenheit ist die Zuverlässigkeit; das gilt für alle Branchen und für Elektronikprodukte in besonderem Maße. Bisher wurde die Mindestlebensdauer einer Elektronik durch großzügige Überdimensionierung sichergestellt. Aber steigende Leistungsdichte durch Miniaturisierung und kürzere Entwicklungszyklen aufgrund verschärften Wettbewerbs verlangen die Abkehr von althergebrachten Methoden. Um die Produktlebensdauer frühzeitig im leistungselektronischen Design abschätzen und sichern zu können, gibt es wirksame Praktiken, die nachfolgend detailliert dargestellt werden.

Die einfachste Form, die Lebensdauer zwischen zwei unterschiedlichen Designs gegenüberzustellen besteht darin, die Temperaturen der Chip-Junction zu vergleichen. Hierbei gilt als Daumenregel, dass schon eine um 10 Kelvin niedrigere Junction-Temperatur im Regelfall eine Verdopplung der Lebensdauer bedeutet.

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Die Zeit, in der die Lebensdauer einer Komponente allein durch ihre Sperrschichttemperatur festgelegt wurde, neigt sich dem Ende zu. Um verlässliche Aussagen bezüglich der Lebensdauer zu machen, reicht eine rein thermische Betrachtung in den meisten Fällen nicht aus. So vielfältig die Belastungen auf die Bauteile sein können, so vielfältig gestalten sich auch die Möglichkeiten diese zu untersuchen. Da nicht jeder Test bei jedem Bauteil nötig ist, unterstützen erfahrene Dienstleistungsunternehmen ihre Kunden dabei, das geeignete Messverfahren auszuwählen.

Die Möglichkeiten reichen von Modalanalysen, Schwingversuchen, analytischen und numerischen Festigkeitsberechnungen bis hin zu Power-Cycle-Tests oder Feuchtebelastungen. Fortgeschrittene Simulationstechniken ermöglichen es, besser als mit herkömmlichen Methoden, Aussagen über Belastungen der Baugruppen zu treffen. Durch multiphysikalische Simulation sind Anwender in der Lage, die Wechselwirkung zwischen verschiedenen physikalischen Einflüssen auf ihre Baugruppen zu untersuchen. Dabei werden thermische, elektrodynamische, strömungsmechanische und mechanische Berechnungen gekoppelt.

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Das ZFW unterstützt von der Idee bis zur Serienreife

Das Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart (ZFW) ist ein in Deutschland führender Dienstleister im Bereich des Wärmemanagements elektronischer Systeme. Die Ingenieure des ZFW entwickeln neue Technologien rund um die Elektronik-Hardware. Ein Schwerpunkt bildet dabei die thermische Optimierung. Dazu stehen dem ZFW eine Vielzahl von Mess- und Berechnungsmethoden zur Verfügung. Jährlich bearbeitet das ZFW weit über 100 industrienahe, praxisorientierte Projekte. Dazu gehören Lebensdaueruntersuchungen an Leistungsbauelementen mit ihren thermischen Interfacematerialien und Simulationsrechnungen. Bereitgestellt werden nicht nur Dienstleistungen im Bereich der Elektronikkühlung, sondern auch fundiertes Ingenieur-Knowhow sowie Projektmanagement. Das ZFW begleitet von der ersten Idee bis hin zur Serienreife eines Produkts. Offeriert wird sowohl das Wissen auf Consulting-Basis als auch die Komplettentwicklung oder Optimierung von Systemen und Bauteilen nach Vorgaben.

So kann zum Beispiel die Temperaturentwicklung durch einen Spannungsabfall in der aktiven Zone der Junction und die daraus resultierenden mechanischen Spannungen im Bauteil berechnet werden. Nach einer Validierungsphase können durch multiphysikalische Simulationen die Überlebenswahrscheinlichkeit virtueller Prototypen, mit deutlich reduzierten Prototypenkosten, für ihren realen Einsatz miteinander vergleichen werden. Nur mit dem Zusammenspiel aus modernen Messmethoden ist eine kostenoptimierte und schnelle Entwicklung möglich, um am Markt bestehen zu können.

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