IGBT-Module: Worauf es beim Test ankommt

| Autor / Redakteur: Rainer Rothe * / Hendrik Härter

Test von IGBT-Modulen: Eine gängige und verbreitete Methode zum Testen ist es, die Anschlusslaschen mit aufgeschraubten Busbars zu verbinden, getrennt nach Potential. Diese Methode funktioniert verlässlich, ist jedoch zeitaufwändig und damit teuer.
Test von IGBT-Modulen: Eine gängige und verbreitete Methode zum Testen ist es, die Anschlusslaschen mit aufgeschraubten Busbars zu verbinden, getrennt nach Potential. Diese Methode funktioniert verlässlich, ist jedoch zeitaufwändig und damit teuer. (Bild: Fixtest)

Ströme von einigen Kiloampere und etliche Kilovolt Spannung: Der Test von IGBT-Modulen erfordert Wissen und Erfahrung. Lesen Sie hier, worauf es ankommt.

IGBT-(Insulated-Gate-Bipolar-Transistor-)Module werfen im Produktionsablauf, also sowohl im Produktionsprozess als auch in der Produktionskette, unterschiedliche Aufgabenstellungen auf. Eine der Aufgaben ist der Test fertiger Module: Es geht um den Produktionszustand, in dem die Keramiksubstrate verbaut, gebondet und vergossen sind. Bevor das Stadium „Endprodukt“ inklusive Labelling erreicht ist, muss zunächst ausgiebig getestet werden. Und zwar als Endtest unter realen, elektrischen Bedingungen.

Einige Kiloampere und etliche Kilovolt

Hier geht es um Schaltlasten bei Strömen mit einigen Kiloampere und unter Spannungen von etlichen Kilovolt. Dabei wird in der Regel sowohl statisch als auch dynamisch gemessen. Für die Kontaktierung der Module ist das eine anspruchsvolle Aufgabe. Zum einen darf der Test am Produkt keine Spuren hinterlassen. Kein Kratzer, keine noch so kleine Brandstelle an den Anschlusslaschen, hervorgerufen durch mikroskopisch kleine Lichtbögen.

Eine gängige und verbreitete Methode ist es, die Anschlusslaschen mit aufgeschraubten Busbars zu verbinden, getrennt nach Potential. Diese Methode funktioniert verlässlich, ist jedoch zeitaufwändig und damit teuer. Immerhin müssen vor dem Test mehrere Busbars auf jedes Modul aufgeschraubt und nach dem Test wieder entfernt werden. Zumeist in manueller Arbeit ausgeführt geht das ins Geld.

Das Problem ist: Für einen automatisierten Ablauf, bei dem die Module von Robotern gehandelt werden, ist die Busbar-Technik eher ungeeignet. Eine für die Automation ideale Lösung stellt die Kontaktierung über gefederte Druckkontakte dar, wie man sie aus der Elektro- und Elektronikindustrie seit langem kennt.

Hohen Ströme und Spannungen beim IGBT-Test

Mit einfachem Touchdown werden die Anschlüsse kontaktiert – das ist die Idee. Ein großes Problem stellten allerdings über lange Zeit die hohen Ströme und Spannungen dar, die beim IGBT-Test übertragen auftreten. Das in mehrfacher Hinsicht: Zum einen darf an der Kontaktstelle - wie erwähnt - keinerlei Abbrand entstehen.

Das Problem der so genannten Micro-Sparks dürfte Insidern hinlänglich bekannt sein: kleinste Luftspalten zwischen der Kontaktstelle am DUT = Device Under Test und dem Federkontakt werden unter der hohen elektrischen Spannung durch mikrofeine Lichtbögen überbrückt, die entsprechende Spuren und Beschädigungen hinterlassen. Diese Schäden treten übrigens auf beiden Seiten der kontaktbildenden Bauteile auf - wenn man nicht mit geeigneten und bewährten Methoden diesem Effekt entgegenwirkt.

Der Federkontakt als kritische Stelle

Eine weitere, kritische Stelle liegt im Federkontakt selbst. Ein konventioneller Aufbau, wie man ihn aus den weit verbreiteten Prüfnadeln für den In-Circuit-Test oder Funktionstest von elektronischen Baugruppen kennt, würde unter den hier gegebenen Bedingungen nicht lange überleben: Rechnet man mit ein bis zehn Kontaktierungen, dann wäre dieser Federkontakt am Ende seiner Tage angelangt. Also ungeeignet. Hier sind spezielle Konstruktionsmerkmale und Werkstoffe gefragt und geboten, die zuverlässig und störungsfrei über viele Tausend Lastwechsel ihren Dienst verrichten.

Der Federweg der Busbarlosen Kontaktierung muss ausreichend groß se

Test: Mit einfachem Touchdown werden die Anschlüsse kontaktiert. Ein großes Problem stellten allerdings über lange Zeit die hohen Ströme und Spannungen dar, die beim IGBT-Test übertragen auftreten.
Test: Mit einfachem Touchdown werden die Anschlüsse kontaktiert. Ein großes Problem stellten allerdings über lange Zeit die hohen Ströme und Spannungen dar, die beim IGBT-Test übertragen auftreten. (Bild: Fixtest)

in, alle auftretenden Toleranzen im Höhenprofil der Anschlusslaschen des IGBT-Moduls auszugleichen. Dies ist übrigens einer der massiven Vorzüge dieser Technik gegenüber dem Aufbau mit Busbars, wo zumeist nur minimale Kontakthübe ausgeführt werden.

Doch auch die Andruckkraft der gefederten Kontaktelemente muss stimmen. Stark genug für eine sichere und dauerhafte, unterbrechungsfreie Kontaktierung und zugleich nicht zu stark, um die Andruckmechanik der Prüfanlage nicht zu überfordern, wenn eine ganze Anzahl einzelner Hochstromkontakte zugleich in Angriff sind. Auch die Induktivität des gesamten Prüfaufbaus bzw. der Prüfadaption soll zweckmäßigerweise so klein wie möglich sein.

Um diese Aufgabenstellungen zu lösen, wurde von der Firma Fixtest eine spezielle Produktgruppe entwickelt. Die Hochstrom-Federkontakte sind gerade im Inneren besonders designt, sodass eine konstante Stromübertragung über den gesamten Federweg sicherstellt wird. Der Eigenwiderstand des Kontakts liegt unter 1 mΩ, was der äußerst hohen Stromtragfähigkeit entgegenkommt.

Gleichzeitig wird eine enorm hohe Lastwechselzahl erzielt: In diversen Praxisanwendungen liegt diese deutlich über eine Million. Besonders ausgewählte Werkstoffe an den Kontakt-Übergangspunkten sorgen für einen abbrandfreien, mechanisch stabilen und erosionsbeständigen Betrieb.

Kritische Stelle: Der Federweg der Busbarlosen Kontaktierung muss ausreichend groß sein, alle auftretenden Toleranzen im Höhenprofil der Anschlusslaschen des IGBT-Moduls auszugleichen.
Kritische Stelle: Der Federweg der Busbarlosen Kontaktierung muss ausreichend groß sein, alle auftretenden Toleranzen im Höhenprofil der Anschlusslaschen des IGBT-Moduls auszugleichen. (Bild: Fixtest)

Der Aufbau des gesamten Prüfadapters

Die Induktivität der bereits vielfach erstellten Prüfadaptionen liegt unter 35 nH. Der im Einsatz auftretende Temperaturbereich zwischen 25 und 125 °C stellt kein Problem dar. Die Strom- und Spannungsratings reichen von 1,7 bis 6,5 kV, Peakspannung bis 8 kV und das bei Strömen bis 9 kA für 2 ms oder 5 kA für 20 µs.

Für den Aufbau des gesamten Prüfadapters bedeutet das zum einen, die entsprechenden Isolationsabstände wie Luftstrecke und Kriechstrecke einzuhalten. Zum anderen die Wahl geeigneter Werkstoffe mit entsprechend hoher Durchschlagfestigkeit, die der IEC-Norm 2430 entsprechen und einen CTI- (Comparative-Tracking-Index-) Wert ≥600 besitzen. Der Wert ist relevant für die elektrische Spannungsfestigkeit bzw. den Isolationswert des Werkstoffs in X- und Y-Richtung.

Höhere Belastbarkeit des Systems

Auch der konstruktive Aufbau muss stimmen: Ein Aufbau in redundanten Anordnungen innerhalb eines Kontaktblocks sorgt nicht nur für eine höhere Belastbarkeit des Systems, sondern stellt zugleich eine hohe Funktionssicherheit im Sinne eines Fail-Safe bzw. Fail-Operational-Systems sicher. Solch ein Block lässt sich als Ganzes auswechseln. Im Servicefall kommt es nur zu kurzen Stillstandszeiten.

Fazit: Das Thema Prüfkontaktierung von IGBTs muss stets in der Gesamtheit betrachtet werden.

* Rainer Rothe ist Geschäftsführer des Testspezialisten Fixtest in Engen.

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