IGBTs

Thermische Widerstände genau messen – eine Herausforderung

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Weitere Einflüsse auf das Messergebnis

Es gibt weitere Zusammenhänge, deren Einfluss auf das Messergebnis weit höher ausfallen kann, als der der eigentlichen Messwerterfassung. Diese sind gesondert zu betrachten und bei der Prognose der Chip-Temperaturen zu berücksichtigen.

Montage der Thermoelemente: Die Thermoelemente für die Erfassung der Chip-Temperatur werden mit Klebstoff auf dem Chip aufgesetzt. Auch wenn dies durch erfahrene Techniker geschieht, ist die Schichtstärke des Klebstoffes trotzdem undefiniert. Es ist außerdem sicherzustellen, dass das Thermoelement bis zur Aushärtung des Klebstoffes nicht wandert.

Wegen der nicht homogen auftretenden Temperatur auf der Chip-Oberfläche können bereits durch die Montageposition einige Kelvin Differenz zwischen der gemessenen Temperatur und der Maximaltemperatur am Chip entstehen. Eine Aufnahme per IR-Kamera gestattet die Verifizierung, dass das Thermoelement auf oder in der Nähe des Hot-Spots liegt.

Der Emissionskoeffizient ε: Um Messungen mit der Infrarotkamera durchzuführen, muss das zu untersuchende Objekt die Qualitäten eines sogenannten Schwarzen Strahlers haben. Idealerweise ist der Emissionskoeffizient 1. Ein mit spezieller matter Farbe präpariertes Objekt hat einen Emissionskoeffizienten zwischen 0,92 und 0,95. Dieser Wert steht in der Kamera als einstellbarer Parameter zur Verfügung. Eine Fehleinstellung kann hier zu Fehlern in der Temperaturmessung von bis zu 8% führen.

Mittelwertbildung und Gewichtung: Die In-Situ-Messung weist bereits die geringsten Abweichungen durch die verwendete Ausrüstung auf. Tatsächlich liefert auch die In-Situ-Messung einen gemittelten Temperaturwert, ähnlich der Mittelung bei der IR-Kamera.

Der Effekt kann insbesondere dann inakzeptabel groß werden, wenn parallel geschaltete IGBT zu vermessen sind. In großen Halbleitermodulen sind in mehreren Systemen bis zu 24 Transistoren zu einem Schalter zusammengefasst. Hier kann ein Hot-Spot auftreten, falls der thermische Transfer lokal geschädigt ist. Die Mittelung bei dieser Methode verbirgt ein etwaiges Hitzezentrum.

Einfluss auf die prognostizierte Lebensdauer: Für die Abschätzung der Lebensdauer sind die Chip-Temperatur und der Chip-Temperaturhub entscheidende Parameter. Mittels der aus dem Datenblatt bekannten Werte lassen sich beide bestimmen, der Einfachheit halber ist die Annahme einer konstanten Kühlkörpertemperatur ein guter Ausgangspunkt für eine erste Evaluation.

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Aus der vorangegangenen Beschreibung der verschiedenen Messungen und den Einflüssen aus dem Messaufbau ergibt sich, dass Abweichungen zwischen der errechneten und der tatsächlichen Temperatur leicht bis zu 15% betragen können. Was eine Differenz von nur wenigen Kelvin bedeuten kann, lässt sich anhand der Power-Cycling-Kurve für Halbleiter erklären (Bild 6).

Für eine Simulation, die bei 125 °C am Chip einen Temperaturhub von 37 K prognostiziert, ergibt sich eine Lebensdauer von 4 x 106 Zyklen. Beträgt die Abweichung zwischen Applikation und Simulation nur 6 K ergibt sich ein Hub von 43 K. Diese scheinbar geringfügige Erhöhung führt zur Halbierung der Lebensdauer mit nur 2 x 106 Zyklen. Hersteller weisen Lebensdauerkurven und Datenblattangaben aus, die mit der In-Situ-Methode nach IEC 60747-9 ermittelt wurden. Durch Verwendung der Methode für beide Angaben sind Offsets und systembedingte Abweichungen kompensiert.

Unsicherheiten entstehen dadurch, dass abweichende Verfahren zur Temperaturmessung Verwendung finden und deren Ergebnisse an denen per In-Situ ermittelten Power Cycling-Kurve gespiegelt werden, ohne die Details und Unterschiede der Methoden zu berücksichtigen.

* Dr. Martin Schulz arbeitet im Application Engineering, Nils Kerstin ist Entwickler im Segment Low Power, beide bei Infineon Technologies, Warstein.

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