Application Manual Power Semiconductors - Deutsche ... - Semikron

2 Grundlagen
gen im Sekundenbereich und hohen Temperaturhüben, wie er z.B. in Traktions-, Aufzugs- und
Impulsanwendungen vorherrscht, entsteht dagegen eine Temperaturwechselbeanspruchung der
modulinternen Verbindungen, d.h. der
--
Bondverbindungen
--
Rückseitenlötung der Chips
--
Lötung DCB/Bodenplatte
--
und der Substratlaminierung (Cu auf Al 2
O 3
oder AlN).
Bei der thermischen Dimensionierung muss deshalb untersucht werden, ob das DT j
so groß ist,
dass die projektierte Anzahl an Fahrspielen nicht erreicht wird. In diesem Fall ist dann die Temperaturdifferenz
DT j
= T j(max)
-T j(min)
während der betrachteten Lastzyklen und nicht die höchstzulässige
Chiptemperatur T j(max)
das Auslegungskriterium für das Leistungsmodul.
Der Zusammenhang zwischen der möglichen Lastwechselanzahl n und der Temperaturwechselamplitude
DT j
wird durch viele Einflussgrößen bestimmt. Messungen sind außerordentlich aufwendig.
Erste umfassende Tests, in denen auch die Abhängigkeit der Temperaturwechsel von der
mittleren Temperatur T jm
nachgewiesen wurden, sind Ende der 90er Jahre mit den Ergebnissen
der LESIT-Studie veröffentlicht worden [52]. Mit Hilfe einer Parameteranpassung für A, a und die
Aktivierungsenergie E a
lassen sich die Ergebnisse der Studie an die Lebensdauerfunktion gemäß
der folgenden Gleichung analytisch berechnen.
N
f
A T
j
e
Ea
kb
Tjm
1E+9
angepasste Parameter für Punkte in Bild 2.7.15: A=3,025·10 5 , a = -5.039, E a
=9,891·10 -20 J,
k b
– Boltzmankonstante, DT j
& T jm
[K]
LESIT results
Power cycling lifetime as a funktion of ΔT
j and T jm
1E+8
cycles to failure
1E+7
1E+6
1E+5
Tjm=333K (60°C)
Tjm=353K (80°C)
Tjm=373K (100°C)
1E+4
10 100 ΔT
1000
j [K]
Bild 2.7.15 Lastwechselkurven wie sie für Leistungsmodule in Abhängigkeit verschiedener mittlerer Temperaturen
in der LESIT Studie ermittelt wurden [52]
Wie Bild 2.7.15 zeigt, sinkt die Zahl der möglichen Lastwechsel für DT j
> 30 K um eine Zehnerpotenz
je 20...30 K Zunahme der Temperaturwechselamplitude. Periodische Lastwechsel im Sekunden-
bis Minutenbereich erfordern somit Temperaturwechselamplituden unter 30 K. Diese Kurven
wurden mit Modulen verschiedener Hersteller ermittelt und stellen den damaligen Stand der Technik
dar. Die Aufbau- und Verbindungstechnik hat sich verbessert, so dass mit heutigen Leistungshalbleitermodulen
höhere Lastwechselzahlen erreichbar sind. Diese sind für IGBT-Module in den
folgenden Abbildungen in 2 Gruppen zusammengefasst.
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