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.

Abweichungen zwischen Laboraufbau und Applikation

Den thermischen Widerstand in einer Anordnung messen, die der späteren Applikation so ähnlich wie möglich ist, stellt einen wichtigen Schritt dar. Obwohl hierdurch einige Einflüsse eliminiert sind, bleiben Abweichungen zwischen dem Laboraufbau und der späteren Applikation nicht aus. Grund hierfür ist, dass Parameter wie die Oberflächenbeschaffenheit des Kühlkörpers das Ergebnis ebenfalls beeinflussen. Ein Querschnitt durch den entsprechenden Aufbau ist in Bild 3 zu sehen.

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Mit Kenntnis der Verlustleistung Pv resultiert der Übergangswiderstand RthJH aus einfachen mathematischen Zusammenhängen. Genau genommen spiegelt dies aber nur den thermischen Pfad in der direkten Umgebung der Thermoelemente wider. Temperaturgradienten über den Chip und den Kühlkörper erfasst die Methode nicht; sie führt auf ein eher „optimistisches“ Ergebnis bezüglich der Lebensdauer. Das Ergebnis ist insbesondere dann tendenziell positiver, wenn das Thermoelement exakt unter dem heißesten Punkt des Chips platziert ist.

Zur Erfassung der Temperaturverläufe am Chip eignet sich eine Infrarotkamera, die in einer weiteren Messung zum Einsatz kommt. Bild 4 stellt ein Wärmebild eines IGBT im stationären Betrieb sowie eine partielle thermische Auswertung dar. Eine Analyse der Fläche führt auf eine Maximaltemperatur von 103 °C an einem der Bonddrähte im Zentrum des Chips. Die höchste Chip-Temperatur beträgt 100 °C, der Mittelwert über die gesamte Chip-Fläche liegt bei nur 94 °C.

Auf Basis der gemittelten Temperatur ergibt sich eine weitere Möglichkeit, den thermischen Widerstand RthJH zu bestimmen. Der so ermittelte Wert für den thermischen Widerstand ist tendenziell zu klein, die Art der Mittelung bleibt dem Entwickler überlassen.

Sowohl Thermoelemente als auch IR-Kamera sind bewährte Methoden, die sich für die Arbeit im Labor anbieten. Sie benötigen allerdings speziell erstellte Mess-Module, die sich für den Einsatz in der echten Umgebung der Applikation nicht eignen. Die offenen Module für Thermographie haben nicht das notwendige Isolationsmaterial, und Leitungen aus den Modulen mit Thermoelementen erweisen sich im kompakten Aufbau häufig als unhandlich.

Um eine Untersuchung im eigentlichen Aufbau zu gewährleisten, eignet sich die In-Situ-Messung, wie sie in der IEC 60747-9 beschrieben ist. Die Technik macht sich die Tatsache zu Nutze, dass bei kleinem Strom die Vorwärtsspannung am Halbleiter und die herrschende Temperatur linear miteinander verknüpft sind.

Eine Kalibrierung erfolgt durch Aufzeichnung der Spannung am Chip, während dieser von einer externen Hitzequelle auf eine genau bekannte Temperatur erwärmt wird. Während der Messung fließt im Halbleiter hierbei nur ein kleiner Mess-Strom. Die in Bild 5 dargestellte Kurve ist auf diese Art ermittelt worden und verdeutlicht den nahezu ideal linearen Zusammenhang.

Eine solche Messung kann ohne Eingriff in das Halbleitermodul erfolgen und sowohl bei hohen Strömen als auch bei hohen Spannungen zur Anwendung kommen. Sie erfordert die Erfassung der Vorwärtsspannung und des Mess-Stromes für die Auswertung der Temperaturkurve sowie die Messung der Verlustleistung zur Bestimmung des thermischen Widerstandes. Hierzu ist zusätzlich der Laststrom zu erfassen.

Für alle drei Messungen ist es notwendig, mehrere Parameter zu bestimmen und daraus den gesuchten Wert zu ermitteln. Alle verwendeten Messwertaufnehmer sind toleranzbehaftet, was sich auf die Genauigkeit der ermittelten Werte auswirkt. Nach Berücksichtigung der Fehlerfortpflanzung ergeben sich für die verschiedenen Verfahren die relativen Abweichungen: Messung mit Thermoelementen: ±9,8%, Messung mit IR-Kamera: ±8,4% und Messung mit In-Situ-Methode: ±5,4%. Der dominante Einfluss in allen Messungen wird von den Thermoelementen verursacht, der Einfluss der Spannungsmessung hingegen ist zu vernachlässigen. Das Einbringen von Stromsensoren höherer Genauigkeit ist nicht zielführend und würde den Preis des Messequipments unnötig in die Höhe treiben.

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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