Gehäuse Zuverlässigkeit

Die Aufbau und Verbindungstechnik beschäftigt sich mit der Zuverlässigkeit von leistungselektronischen Bauteilen und Systemen unter besonderer Berücksichtigung von Effekten, welche durch die Integration des Halbleiterchips in das entsprechende Package hervorgerufen werden.

Lastwechsel

In der Anwendung unterliegen leistungselektronische Systeme den unterschiedlichsten Belastungsprofilen, welche zum Teil irreversible Auswirkungen hervorrufen. Solche Veränderungen können in Abhängigkeit der gewählten Anwendung erst nach einer beträchtlichen Belastungsdauer sichtbar werden. Um die Auswirkungen bestimmter Testparameter auf die Aufbau- und Verbindungstechnik eines Leistungshalbleiter Packages in einem zeitlich vertretbaren Maße dennoch untersuchen zu können, werden beschleunigte Alterungstest genutzt. Anhand der Testparameter, welche aus der entsprechenden Anwendung abgeleitet werden, können mit Hilfe von Lebensdauermodellen und kontinuierlich gemessenen sensitiven Parametern letztlich quantitative und qualitative Aussagen zur Auswirkung von Neuerungen erarbeitet werden.

D2Pak System während eines Lastwechseltests

Beim Lastwechseln gibt es zahlreiche Aspekte, welche beachtet werden müssen um ein hohes Maß an Zuverlässigkeit, Reproduzierbarkeit und damit Vergleichbarkeit zu erreichen. Dazu zählen unter anderem:

Konstante Testbedingungen wie Gehäusetemperaturen, Versorgungsspannungen oder Lastströme
Schnelle Stromregelung für flexible Pulsmuster und möglichst kurze Testdauern
Zuverlässige, flexibel anzubringende und hinreichende schnelle Messtechnik
Automatisierte Aufnahme der Parameter jedes Prülings zur Generation einer Statistik und zur Qualitätssicherung
Erfahrungswerte und ein ausgeprägtes Verständnis der Aufbau- und Verbindungstechnik

Ein ausgereiftes Hardware- und Softwaresicherungskonzept ermöglicht zudem einen nahezu autonomen Betrieb.

So unterschiedlich die verschiedenen Leistungsbauelemente, ihre Leistungsklassen und Gehäusetechnologien sind, so flexibel müssen auch die Teststände sein. Entsprechend gibt es an der Professur für Leistungselektronik eine große Bandbreite an verschiedenen Testständen, welche über die Jahre gewachsen sind und letztlich für bestimmte Bauteilgruppen und Stromklassen spezialisiert wurden.

Durch neue Halbleitermaterialien, fortschrittlichere Gehäusetypen und immer neue Anwendungsfelder von leistungselektronischen Baugruppen, unterliegen die Lastwechseltests und deren Teststände ebenso einer ständigen Entwicklung und anschließenden Qualitätsvalidierung.
Neben klassischen Lastwechseltests, bei welchen ein Bauteil mit Gleichstrom beaufschlagt wird oder nicht, gehören auch solche Untersuchungen zum Repertoire der Professur, bei welchen die Verlustleistung durch aktive Schaltvorgänge und bewusste Überspannungsspitzen hervorgerufen werden. Das Know-How im Teststandbau, der Programmierung der Software-Umgebung und letztlich der Messwerterfassung und Auswertung wurde im Laufe der letzten Jahre an der Professur für Leistungselektronik entwickelt und zu einer Reife vorangetrieben, welche selbst international agierende Großunternehmen der Leistungelektronik zu unseren Partnern macht. Auch in der Wissenschaft hinterlassen die Untersuchungen der Technischen Universität Chemnitz in Zusammenarbeit mit diversen Partnern einen bleibenden Eindruck, welcher durch zahlreiche Veröffentlichungen getragen wird.

Lastwechselteststand der neusten Generation

FEM Berechnungen

Um das elektrische, thermische sowie mechanische Verhalten leistungselektronischer Bauelemente mit komplexer Geometrie beurteilen zu können, werden Systeme aus Differentialgleichungen mittels numerischer Verfahren gelöst und ausgewertet.
Die fortschreitende Entwicklung von Halbleiterbauelementen erfordert einen immer genaueren Einblick in leistungselektronische Systeme, um bei steigender Leistungsdichte und Effizienz die Beanspruchung der einzelnen Systemkomponenten in Abhängigkeit von elektrischen, thermischen sowie mechanischen Parametern zu untersuchen. Erfahrungswerte aus einer Vielzahl von Messungen mit unterschiedlicher Aufbau- und Verbindungstechnik sowie Materialkombinationen ermöglichen die Bewertung der numerisch ermittelten Ergebnisse hinsichtlich potentieller Schwachstellen im System sowie die Erklärung entsprechender Fehlerbilder.

Wärmeentwicklung auf der Oberfläche eines Leistungshalbleiters bei gegebenem Lastwechselsetup