Power-Cycle-Tests mit detaillierter Analyse

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Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart

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Das Temperaturprofil in einzelne Bereiche aufteilen

Den „richtigen“ Temperaturhub erreicht man, indem man vom geplanten, realen Lastfall der Gesamtapplikation ein zeitliches Power-Profil ableitet. Als nächster Schritt muss aus diesem Power-Profil ein zu erwartendes Temperaturprofil erstellt werden. Das ist mit Hilfe numerischer Simulation oder durch Berechnungen mit einem RC-Netzwerk möglich.

Eine wichtige, zusätzliche Optimierung wird erreicht, in dem das Temperaturprofil in Temperaturbereiche aufgeteilt und deren Häufigkeit gewichtet wird. Durch diese Gewichtung können die Belastungen des Power-Elements mit kleinem Stressfaktor ebenso im angepassten Temperaturhub eines Lastwechselzyklus repräsentiert werden, wie kurzzeitige, hohe Spannungsbelastungen.

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Mit dem angepassten Temperaturhub ist nun die Grundlage für eine aussagekräftige Zuverlässigkeitsabschätzung des Power-Elements gelegt. Eine weitere Herausforderung ist die Durchführung und Kontrolle des Lastwechseltests. Denn hierzu gehört die sorgfältige Auswahl einer geeigneten Regelstrategie .

Die Frage ist dabei, wie die Degradation einer thermischen Schicht des Prüflings während der Prüfzeit von der Testeinrichtung behandelt wird. Die Degradation macht sich zunächst in der Erhöhung der Sperrschichttemperatur bemerkbar. Eine Möglichkeit besteht darin, den Effekt der thermischen Degradation durch Gegenregelung zu kompensieren. Die Sperrschichttemperatur wird dann konstant gehalten, indem die Zykluszeiten, die eingeprägte Leistung oder der Strom nachgeregelt werden. Bei dieser Art der Prüfung wird allerdings der Degradations-Stress realitätsfern abgefedert.

Bei einer anderen Art der Regelung bleiben die Zykluszeiten, die eingeprägte Leistung und der Strom während der gesamten Testdauer unverändert. Bei der Degradation einer Schicht im thermischen Pfad des Aufbaus steigt die Sperrschichttemperatur entsprechend an. Es entsteht ein zusätzlicher mechanischer Stress. Diese Art der Regelung kommt der Realität sehr nahe, da die zusätzliche Temperaturerhöhung zu einer zusätzlichen mechanischen Belastung und einem schnelleren Ausfall führt.

Lebensdaueraussage und Regelstrategie

Die Wahl der Regelstrategie beeinflusst eine Lebensdauerabschätzung signifikant. Zwischen einer geregelten „relaxten“ Variante mit konstanter Sperrschichttemperatur und der stromkonstanten Variante ohne Nachregelung liegt bezüglich der Lebensdauer als Daumenwert der Faktor drei.

Eine Lebensdaueraussage muss deshalb immer im Zusammenhang mit der eingesetzten Regelstrategie betrachtet werden. Über das Arrhenius-Modell sowie zusätzlich eingefügter empirischer Faktoren kann mit diesen Ergebnissen bei überschaubarem Testaufwand eine Lebensdauerabschätzung erfolgen.

Die Darstellung erfolgt beispielsweise im Zuverlässigkeitsdiagramm (Bild 5).

* Peter Fink ist Spezialist für Lebensdaueruntersuchungen von Leistungsbauelementen am Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart (ZFW).

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