Ratgeber: Unerklärliche Ausfälle Frag den Schulz! Kosmische Strahlung – echt oder Science Fiction?

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Diese Frage kam in einer Diskussion um Ausfälle auf, für die es zunächst keine brauchbare Erklärung gab. Die Antwort: Kosmische Strahlung ist keine Erfindung von Stanislav Lem oder ein Mythos aus dem Star-Wars-Universum – die Gefahr ist real.

Kosmische Strahlung besteht aus hochenergetischen Partikeln, die von Sternen wie unserer Sonne in großer Menge ins All geschleudert werden. Das Magnetfeld unseres Planeten lenkt das meiste von dem ab, was sich in Richtung Erde bewegt – und nur wenige dieser energiereichen Partikel gelangen in die Erdatmosphäre. Hier kollidieren sie mit anderen Partikeln und geben dabei ihre Energie an diese Kollisionspartner weiter. Als Folge entstehen weitere Partikel mit hoher Energie, und durch weitere Kollisionen wird ein Kaskadeneffekt ausgelöst – man spricht von einem Partikelschauer.

Tatsächlich ist das dann nicht mehr die ursprüngliche kosmische Strahlung, sondern die von ihr verursachte Sekundärstrahlung. Weil die Strahlungsintensität sehr stark von der geographischen Höhe abhängt, wird sie auch als Höhenstrahlung bezeichnet. Deren Partikel besitzen noch immer genügend Energie, um bei der Kollision mit der Kristallstruktur von Halbleitern für Störungen in dessen elektrischen Feld zu sorgen. Pflanzt sich eine solche Störung entlang des Kristallgitters fort, kann im Halbleiter ein leitender Kanal entstehen, und der Halbleiter wird zerstört. Der Prozess ist schematisch in Bild 1 dargestellt. Da dieser Effekt bei hohen Feldstärken im Kristallgitter mit höherer Wahrscheinlich auftritt, sind insbesondere Halbleiter betroffen, die sich gerade im sperrenden Zustand befinden.

Anfang der 1990er-Jahre fiel der Einfluss kosmischer Strahlung zum ersten Mal in der Leistungselektronik auf. In Traktionsumrichtern von Bahnen kam es zu Ausfällen, die zunächst nicht erklärbar waren. Ein berühmtes Experiment untersuchte, ob Halbleiter in Salzstöcken tief unter der Erde andere Ausfallhäufigkeiten haben als solche auf Berggipfeln. Das Ergebnis war eindeutig: Die unter der Erde betriebenen System arbeiteten ohne Ausfall, während die in großer Höhe vermehrt ausfielen. Wegen der nur statistisch zu erfassenden Größe spricht man für dieses Fehlerbild auch vom Single Event Burnout oder SEB.

Kann man nicht einfach eine Abschirmung bauen?

Ein naheliegender Ansatz zur Lösung des Problems war, einfach eine Abschirmung zu bauen – das geht ja schließlich auch bei Röntgenstrahlen. Bereits 1929 haben die beiden deutschen Physiker Walther Bothe und Werner Kolhörster versucht nachzuweisen, dass es sich bei der von Victor Franz Hess 1912 postulierten Höhenstrahlung um Gammastrahlung handelt. Ihr Versuchsaufbau aus zwei Geiger-Müller-Zählern beinhaltete einen dazwischen angebrachten Absorber, der sich aber als unzureichend darstellte. Selbst als sie eine Platte aus 4 cm dickem Gold verwendeten ergaben sich Koinzidenzen, also Ereignisse, die in beiden Zählern gleichzeitig auftraten.

Das war gleichzeitig der Beweis dafür, dass Höhenstrahlung keine Gammastrahlung sein kann. Und die versuche führten auch zu der Erkenntnis, dass Schutzmaßnahmen für eine Applikation oder einzelne Halbleiteraufbauten gegen dieses Phänomen in Form einer Einhausung keine wirtschaftlich machbare Option sind. Im Experiment der 1990er-Jahre waren es erst über 100 Meter Gesteinsschicht, die eine wirksame Abschirmung darstellten.

Was hilft denn dann, die Fehlerrate auch in großer Höhe klein zu halten?

Mathematisch betrachtet ist die Fehlerrate eines Bauelementes das Produkt aus einer immer bestehenden Grundfehlerrate, verschiedenen Einflussfaktoren wie Spannung und Temperatur, sowie eines Korrekturfaktors für die geographische Höhe. Höhenstrahlung selbst ist dabei ein Faktor, der sich nicht beeinflussen lässt. Was hilft, ist also ausschließlich eine Reduktion der Grundfehlerrate.

Fehler in Bauelementen nehmen mit der Temperatur des Halbleiters zu. Ebenso ist die im Halbleiter herrschende Feldstärke ausschlaggebend. Beides kann man sich zu Nutze machen. Ein bezüglich der Stromtragfähigkeit überdimensioniertes Bauteil weist im Betrieb einen geringeren Temperaturhub auf, was die Grundfehlerrate reduziert. Auch kann das Verhältnis von Nenn-Sperrspannung und der am Bauteil anliegenden Spannung herangezogen werden. Ist zum Beispiel in der Anwendung mit Spannungen von bis zu 900 V zu rechnen, reicht technisch betrachtet der Einsatz von 1.200-V-Komponenten. Der Einsatz von Bauteilen auf 1.700-V-Basis verringert aber die Grundfehlerrate erheblich.

Muss man das überhaupt? Welchen Einfluss hat denn die Höhe?

Die echte Messung der Ausfallrate als Funktion der geographischen Höhe über dem Meeresspiegel ist extrem aufwändig und wurde in der Vergangenheit von nur wenigen Institutionen ganzheitlich durchgeführt. Aus den hier gewonnenen Daten lässt sich der beschleunigende Einfluss der Höhe wie in Bild 2 darstellen.

Die Fehlerrate für leistungselektronische Bauelemente wird auch als FIT-Rate bezeichnet. FIT steht dabei für „Failure In Time“. Darin ist Time im industriellen Verständnis eine Dauer von 10⁹ Betriebsstunden. 1 FIT bedeutet also, dass das Bauelement statistisch innerhalb von 10⁹ Stunden ausfällt. Die FIT-Rate sagt aber nichts darüber aus, wann genau das Bauelement ausfällt oder welches Bauelement einer Gruppe betroffen ist. Sind von einem Bauelement mit 100 FIT in Summe eine Million Teile im Einsatz, ist rein statistisch davon auszugehen, dass alle zehn Stunden ein Ausfall zu erwarten ist.

Der zusätzliche Einfluss der Höhenstrahlung wird am Beispiel besonders deutlich. Eine Applikation, die in Hamburg montiert ist, weist beim Einsatz im Pitztaler Skigebiet auf 3.440 Metern über Meeresspiegel bereits die 12-fache Ausfallwahrscheinlichkeit auf. In La Paz, der Verwaltungshauptstadt Boliviens auf 3.870 Metern Höhe, steigt die Ausfallwahrscheinlichkeit schon um den Faktor 15. Wird in Hamburg also statistisch eine Lebensdauer von 10 Jahren erreicht, kann sich diese in den Bergen sehr schnell auf unter ein Jahr reduzieren. Besonders kritisch zu betrachten ist die Situation beim Einsatz von Leistungshalbleitern in Flugzeugen oder sogar Satelliten.

Fazit

Höhenstrahlung als Einflussfaktor auf die Lebensdauer eines leistungselektronischen Systems ist kein Mythos, sondern ein inzwischen gut bekanntes und dokumentiertes Phänomen. Sind Ausfallwahrscheinlichkeiten für generelle Anwendungen gefragt, ist es oft sinnvoll, deren Betrieb nicht nur in elektrischen und thermischen Parametern vorzugeben – sondern auch eine Angabe zu machen, bis zu welcher geographischen Höhe das System zum Einsatz kommen sollte. Weiß man als Entwickler bereits im Voraus, dass die Applikation in großer Höhe zum Einsatz kommt, können geeignete Vorgaben bei der Bauteilwahl die Zuverlässigkeit schon in der Designphase positiv beeinflussen. (cg)

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* Dr. Martin Schulz ist Global Principal Application Engineer bei Littelfuse Europe.

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