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IGBTs Thermische Widerstände genau messen – eine Herausforderung

Autor / Redakteur: Martin Schulz und Nils Kerstin * / Gerd Kucera

Zur Bestimmung der thermischen Zusammenhänge im Leistungs-halbleiter sind neben den Abweichungen, die die Messausrüstung einbringt, die Eigenschaften des Messaufbaus zu berücksichtigen.

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Bild 1: Vereinfachtes thermisches Modell einer IGBT/Dioden-Kombination in einem Leistungshalbleiter.
Bild 1: Vereinfachtes thermisches Modell einer IGBT/Dioden-Kombination in einem Leistungshalbleiter.
(Bilder: Infineon)

Ein wichtiges Kriterium bei der Auslegung von Halbleitern sind die zu erwartenden Chip-Temperaturen. Diese auf Basis von Datenblattangaben zu errechnen, ist Aufgabe des Entwicklers. Vom thermischen Pfad sind meist nicht alle Daten bekannt und thermische Widerstände lassen sich nicht direkt messen. Die Bestimmung der Werte fließt aber direkt in die Lebensdauerprognose ein und muss daher exakte Daten liefern.

Meist beginnt die Entwicklung leistungselektronischer Geräte mit einer Simulation, die die thermischen und elektrischen Charakteristika widerspiegelt. Ziel der thermischen Simulation ist die präzise Bestimmung der Chip-Temperaturen. Diese stellen einen der wichtigsten Parameter bei der späteren Lebensdauerbetrachtung dar. Ausgehend von den im Silizium auftretenden Verlustleistungen und einer fest definierten Umgebungstemperatur ergibt sich das thermische Budget für die Applikation. Ein üblicher, allerdings vereinfachter Ansatz zur Bestimmung der Chip-Temperaturen ergibt sich aus der Verwendung des thermischen Modells (Bild 1).

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Sind die Kette der thermischen Widerstände und die Verlustleistungen der Halbleiter hinreichend genau bekannt, ergibt sich die im Chip herrschende Temperatur aus der Formel Tvj = Tamb + Pv * ∑ Rth.

Der Ansatz führt auf ein akzeptables erstes Ergebnis, vernachlässigt aber wichtige Eigenschaften des Aufbaus, die zu Abweichungen beitragen. Die unterlegte Fläche in Bild 1 beinhaltet das thermische Interface-Material zwischen Modul und Kühlkörper, das den Übergangswiderstand RthCH stark beeinflusst.

Die Wärmeleitpaste ist üblicherweise nicht Teil des Halbleiters, weshalb Schwankungen zwischen dem Datenblattwert und dem realen Aufbau zu erwarten sind. Halbleiterhersteller geben daher den Übergangswiderstand RthCH als typischen Wert unter der Annahme einer generischen thermischen Lösung bezüglich der Wärmeleitpaste an.

Infineon geht einen anderen Weg und verwendet ein eigens für Halbleitermodule optimiertes Material (TIM), um die thermischen Eigenschaften des Leistungshalbleiters zu verbessern. Dieser Ansatz eliminiert die Unsicherheit, die sich aus der Verwendung einer x-beliebigen Lösung ergeben. Der thermische Widerstand RthCH lässt sich in der geforderten Genauigkeit nicht aus Datenblattangaben einer Wärmeleitpaste bestimmen.

Der hier gegebene Wert spiegelt nur die Leitfähigkeit des Materials selber wieder, die viel wichtigeren Kontaktwiderstände zwischen Wärmeleitmaterial und kontaktierter Metallfläche fehlen. Ebenso bleibt unberücksichtigt, dass sich einstellender Metall-Metall-Kontakt einen Großteil des Wärmetransportes übernimmt. Das in Bild 2 skizzierte, erweiterte thermische Modell zeigt die Unterschiede gegenüber dem vereinfachten Ansatz auf.

Die Herausforderung zur Ermittlung des Widerstandes RthJH besteht darin, eine Messung zu gestalten, die am Ende einen Wert liefert, der dem Designer dienlich ist und die tatsächlichen Zusammenhänge in der Applikation erfasst.

Aus Bild 2 lässt sich ein erster Aufbau zur Messung von RthJH ableiten. Er besteht aus dem dargestellten schichtförmigen Aufbau und ist mit Thermoelementen ausgestattet. Diese liefern die zu erfassenden Temperaturen, die die Grundlage für eine thermische Auslegung sind.

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