Der Einfluss von Lastwechseln auf die Lebensdauer von IGBTs

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Testreihe 1 mit vier Proben

Eine erste Testreihe mit vier Proben wurde mit konstanten Aufheiz- und Abkühlzeiten durchgeführt. Die Aufheiz- und Abkühlzeiten hat man so gewählt, dass die anfängliche Temperaturschwankung bei 100 °C lag, bei einer Leistung von ca. 200 W mit Aufheizen von 3 s und Abkühlen von 10 s.

Dies entspricht am ehesten einer Anwendungsumgebung, in der eine Degradation der thermischen Struktur die Sperrschichttemperatur erhöht und die Alterung beschleunigt. Eine der vier Komponenten, Probe 3, ist bereits nach 10 000 Zyklen, und damit wesentlich früher als die anderen, ausgefallen. Die Proben 0, 1 und 2 hielten länger stand, sie fielen nach 40660, 41476 und 43489 Lastwechseln aus.

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Bild 1 zeigt die von den thermischen Transienten erzeugten Strukturfunktionen, gemessen an Probe 0 nach jeweils 5000 Zyklen. Der flache Bereich bei 0,08 W/K entspricht dem Die-Attach. Es ist ersichtlich, dass die Struktur bis 15 000 Zyklen stabil ist. Nach diesem Punkt ist die Degradation der Die-Attach offensichtlich, da der Widerstand bis zum Ausfall des Moduls kontinuierlich ansteigt. Die unmittelbare Ursache für den Modulausfall ist unbekannt. Allerdings trat ein Kurzschluss zwischen Gate und Emitter auf und auf der Oberfläche des Chips waren verbrannte Stellen zu sehen.

Testreihe 2 mit unterschiedlichen Ansteuerungsstrategien

Eine zweite Testreihe wurde mit einem identischen Satz Proben durchgeführt. Dabei kamen die unterschiedlichen Ansteuerungsstrategien des Power-Testers zum Einsatz. In diesem Fall wurden der Strom für IGBT 1 und die Heizleistung für IGBT 2 konstant gehalten und die Sperrschichttemperatur von IGBT 3 kontinuierlich verändert.

Um einen angemessenen Vergleich zu gewährleisten, wurden die Einstellungen so gewählt, dass der anfängliche Sperrschichttemperaturanstieg bei allen Modulen gleich war: mit 3 s Aufheizen und 17 s Abkühlen sowie einer Anfangserwärmung mit ca. 240 W je Testmodul. In allen Zyklen wurden für jedes Modul alle Heiz- und Kühltransienten gemessen. Die folgenden elektrischen und thermischen Parameter hat der Power-Tester kontinuierlich überwacht:

• Modulspannung mit eingeschaltetem Heizstrom, U_on,

• Heizstrom, der im letzten Zyklus angelegt ist, I_Cycle,

• Leistungsstufe, P,

• Modulspannung nach dem Ausschalten des Heizstroms, U_hot,

• Modulspannung vor dem Einschalten des Heizstroms, U_cold,

• Höchste Sperrschichttemperatur während der Lastwechsel, T_hot,

• Niedrigste Sperrschichttemperatur während der Lastwechsel, T_cold,

• Temperaturschwankung im letzten Zyklus, ΔT,

• Durch die Heizleistung normierte Temperaturänderung, ΔT/P.

Um Strukturfunktionen zu generieren, mit denen sich eine mögliche Degradation im thermischen Aufbau untersuchen lässt, wurden nach 250 Zyklen die thermischen Transienten vom eingeschalteten stationären Zustand bis zum ausgeschalteten stationären Zustand mit Hilfe eines 10-A-Heizstoms gemessen. Der Versuch wurde bis zum Ausfall aller IGBTs fortgesetzt.

Wie erwartet, fiel IGBT 1 als erstes aus, da die zugeführte Leistung nicht reguliert wurde, als sich der Zustand des Moduls verschlechterte. Interessanterweise trat in der thermischen Struktur keine Degradation auf (Bild 2).

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