Wärmemanagement Thermisches Interface - Schlüssel zur Lebensdauererhöhung

Mehrheitlich dominiert das thermische Interface den Abtransport der Verlustwärme mit großem Einfluss auf die Lebensdauer. Die Bewertung der thermischen Situation ist dabei keine leichte Aufgabe.

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Leistungselektronische Halbleiter sind in den vergangenen Jahren immer zuverlässiger geworden, doch Kunden aus den Bereichen der Elektromobilität und die Anbieter von Anlagen zur Gewinnung erneuerbarer Energie fordern immer wieder eine noch höhere Lebensdauer. Längst wird für beispielsweise Lokomotiven und Windkraftanlagen eine Produktlebensdauer von bis zu 30 Jahren erwartet. Auch wenn neue Entwicklungen auf dem Gebiet der Leistungshalbleiter genau diese Eigenschaften in den Fokus setzen, wächst zusehends die Bedeutung des thermischen Managements, wenn es darum geht, moderne Leistungshalbleiter bestmöglich zu nutzen.

Im Halbleiter entsteht Wärme als Folge der Verlustleistungen. Über ein Netzwerk aus thermischen Widerständen fließt diese Wärme von der Quelle zur Senke, in der überwiegenden Mehrzahl der Anwendungen einem Kühlkörper mit forcierter Luftbewegung. Dieser gibt die Wärme an die umgebende Außenluft ab (Bild 1).

Im Modell (Bild 2) sind die Chips als Wärmequelle zu erkennen. Bis zur Bodenplatte oder der Unterseite des Moduls bestimmt der interne Aufbau diese thermische Strecke. Der üblicherweise im Datenblatt angegebene Übergangswiderstand von Bodenplatte zum Kühler R_thch, im Bild 1 gelb unterlegt, beinhaltet das thermische Interface. Ihm liegt ein konservativer Wert zugrunde, weil der Modulhersteller den Aufbau genau dieser Schicht nicht beeinflussen kann; sie wird von jedem Anwender unter Verwendung verschiedener Materialien und Prozesse gestaltet. Für den Modulhersteller ist diese Situation unbefriedigend, da die thermische Qualität des Aufbaus in weiten Grenzen als undefiniert einzustufen ist. Um dem entgegen zu wirken, hat sich Infineon dafür entschieden, für Module eine speziell für den Einsatz in der Leistungselektronik optimierte Lösung anzubieten.

Die Bewertung der thermischen Situation

Für den im Umrichter integrierten Halbleiter ist die zyklische thermische Belastung der Stress, der die Lebensdauer einschränkt. Zwei Einflüsse sind für die Lebensdauerprognose dabei von besonderem Interesse. Die beiden Effekte Power-Cycling und Thermal-Cycling. Beide ergeben sich aus dem Temperaturhub dem die Anordnung unterliegt, der dabei erreichten maximalen Temperatur am Chip und der Dauer der Heizperiode. Liegen die Hübe im Bereich von Sekunden, dann spricht man von einem Power-Cycling, erstreckt sich der Zeitbereich über Minuten oder mehr kommt es zum Thermal-Cycling. Sind Temperaturniveau, Temperaturhub und Dauer der Erwärmung bekannt, lässt sich über mathematische Modelle die zu erwartende Lebensdauer abschätzen. Die Messung der maximalen Chiptemperatur gelingt am genauesten mit Hilfe einer thermographischen Kamera.

Im Aufbau arbeiten zwei identische Module unter elektrisch gleichen Bedingungen, sind aber mit unterschiedlichen thermischem Interface Materialien (TIM) aufgebaut. Die Maxima der Chiptemperaturen variieren in der gezeigten Messung bereits zu Beginn des Tests um 14 K. Welchen Einfluss diese erhöhte Temperatur auf die Lebensdauer der Halbleiter hat wird besonders deutlich, wenn man aus den relevanten Daten die zugehörige Lebensdauer in Zyklen bestimmt.

Das in Bild 3 dargestellte Diagramm gibt Auskunft darüber, wie viele thermische Zyklen ein Halbleitermodul bei gegebenen thermischen Bedingungen überlebt. Für einen Temperaturhub von 90 K und bei einer maximalen Chiptemperatur von 150 °C ergibt sich eine Belastbarkeit von 6,5 x 10⁴ Zyklen. Im Vergleich dazu ergeben sich für einen um 14 K geringeren Hub zwei Effekte. Zum einen reduziert sich der absolute Wert für den Temperaturhub, zum anderen sinkt die maximale Chiptemperatur. Beide Parameter gehen in die Lebensdauerprognose mit ein. Schon für die Kurve T_jmax = 150 °C resultiert eine Verbesserung auf 1,5 x 10⁵ Zyklen. Zieht man in Betracht dass die Chiptemperatur sinkt, ergeben sich ca. 2 x 10⁵ Zyklen. Der Einsatz der optimierten thermischen Lösung erbringt gegenüber dem Standardmaterial einen Lebensdauergewinn im Bereich eines Faktors 2 bis 3.

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