IGBT-Module testen: So werden Beschädigungen vermieden

Der Prüfaufbau zum Test von IGBT-Modulen ist nicht trivial. In Test-Adaptionen für Hochleistungs-Halbleiter sind zum Beispiel Federkontakte mit speziellem Aufbau empfehlenswert.

IGBT-Module werfen im Produktionsprozess bzw. in der Produktionskette unterschiedliche Aufgabenstellungen für den Test auf; jedem Modul-Hersteller ist das bekannt und auch bewusst. Der eingehende Abschlusstest als Teil der Qualitätssicherung garantiert, dass Eigenschaften und Leistung des IGBT-Moduls den gestellten Forderungen entsprechen. Vor dem Hintergrund der Produkthaftung, und erst recht hinsichtlich Image-Pflege, ist diese Verifikation des Endproduktes für jeden Hersteller ein Muss. Das ganz spezifische Umfeld um IGBT-Bausteine ist eine eigene, komplexe Welt mit besonderen Problemen und Aufgaben für den Prüfmittelbau.

Eines dieser Aufgabenbereiche ist das Testen der fertigen Module vor dem Labelling, also der Produktionszustand, in dem die Keramiksubstrate verbaut, gebondet und vergossen sind. Dieser Endtest muss unter realen elektrischen Bedingungen erfolgen, also mit Schaltlasten im Kiloampere-Bereich und unter Spannungen von etlichen kV. Dabei werden in der Regel sowohl statische als auch dynamische Messungen durchgeführt.

Für die Kontaktierung der Module ist das eine anspruchsvolle Aufgabe. Schließlich darf der Test am Produkt keine Spuren hinterlassen, wenn das IGBT-Modul zum Kunden soll. Kein Kratzer, keine noch so kleine Brandstelle an den Anschlusslaschen, hervorgerufen durch mikroskopisch kleine Lichtbögen.

Der Einsatz von Busbars ist zeitintensiv und teuer

Eine gängige und verbreitete Methode ist es, die Anschlusslaschen mit aufgeschraubten Busbars zu verbinden, getrennt nach Potenzial. Diese Methode funktioniert verlässlich, ist jedoch zeitaufwändig und damit teuer. Immerhin müssen vor dem Test mehrere Busbars auf jedes Modul aufgeschraubt und nach dem Test wieder entfernt werden. Zumeist in manueller Arbeit ausgeführt geht das schon ins Geld. Das Problem ist: Für einen automatisierten Ablauf, bei dem die Module von Robotern gehandhabt werden, ist die Busbar-Technik eher ungeeignet.

Eine für die Automation geradezu ideale Lösung stellt hier die Kontaktierung über gefederte Druckkontakte dar, wie man sie aus anderen Bereichen der Elektro- und Elektronikindustrie seit langem kennt. Mit einfachem Touch-down werden die Anschlüsse kontaktiert – das ist die Idee. Ein großes Problem sind hier die über lange Zeit hohen Ströme und Spannungen, die beim IGBT-Test übertragen auftreten. Dies in mehrfacher Hinsicht.

Zum einen darf an der Kontaktstelle – wie eingangs schon erwähnt – keinerlei Abbrand entstehen. Das Problem der so genannten Micro-Sparks dürfte Insidern hinlänglich bekannt sein: kleinste Luftspalten zwischen der Kontaktstelle am DUT (Device Under Test) und dem Federkontakt werden unter der hohen elektrischen Spannung durch mikrofeine Lichtbögen überbrückt, die entsprechende Spuren und Beschädigungen hinterlassen. Diese Schäden treten übrigens auf beiden Seiten der kontaktbildenden Bauteile auf, wenn man nicht mit geeigneten und bewährten Methoden diesem Effekt entgegenwirkt.

Eine weitere kritische Stelle liegt im Federkontakt selbst. Ein konventioneller Aufbau, wie man ihn aus den weit verbreiteten Prüfnadeln für den In-Circuit-Test oder Funktionstest von elektronischen Baugruppen kennt, würde unter den hier gegebenen Bedingungen nicht lange überleben. Rechnen wir mal mit ein bis zehn Kontaktierungen, dann wäre dieser Federkontakt am Ende seiner Zuverlässigkeit angelangt. Diese Methode ist also ungeeignet. Hier sind spezielle Konstruktionsmerkmale und Werkstoffe gefragt und geboten, die zuverlässig und störungsfrei über viele Tausend Lastwechsel ihren Dienst verrichten.

Hochstrom-Federkontakte statt Busbar

Der Federweg dieser Busbar-losen Kontaktierung muss ausreichend groß sein, um alle auftretenden Toleranzen im Höhenprofil der Anschlusslaschen des IGBT-Moduls auszugleichen. Das ist übrigens einer der massiven Vorzüge dieser Technik gegenüber dem Aufbau mit Busbars, wo zumeist nur minimale Kontakthübe ausgeführt werden. Doch auch die Andruckkraft dieser gefederten Kontaktelemente muss stimmen: Stark genug für eine sichere und dauerhafte, unterbrechungsfreie Kontaktierung und zugleich nicht zu stark, um die Andruckmechanik der Prüfanlage nicht zu überfordern, wenn eine ganze Anzahl einzelner Hochstromkontakte zugleich in Angriff sind. Auch die Induktivität des gesamten Prüfaufbaus bzw. der Prüfadaption soll sinnvollerweise so klein wie möglich sein.

Alle diese Aufgabenstellungen werden durch eine spezielle Produktgruppe des Spezialisten FIXTEST zuverlässig gelöst. Diese Hochstrom-Federkontakte zeichnen sich durch ein besonderes Design im Innenleben aus, das eine konstante Stromübertragung über den gesamten Federweg hinweg sicherstellt. Der Eigenwiderstand des Kontakts liegt unter 1 mΩ, was der äußerst hohen Stromtragfähigkeit entgegenkommt. Gleichzeitig wird eine enorm hohe Lastwechselzahl erzielt: in diversen Praxisanwendungen liegt diese deutlich über 1 Million. Besonders ausgewählte Werkstoffe an den Kontakt-Übergangspunkten sorgen für einen abbrandfreien, mechanisch stabilen und erosionsbeständigen Betrieb.

Die Induktivität der bereits vielfach erstellten Prüfadaptionen liegt deutlich unter 35 nH. Der im Einsatz auftretende Temperaturbereich zwischen 25 und 125 °C stellt kein Problem dar. Die Strom- und Spannungs-Ratings liegen im Bereich von 1,7 bis 6,5 kV, die Peak-Spannung bis 8 kV bei Strömen bis 9 kA (für 2 ms) bzw. 15 kA (für 20 µs).

Für den Aufbau des gesamten Prüfadapters bedeutet dies zum einen die Einhaltung entsprechender Isolationsabstände (Luftstrecke, Kriechstrecke), zum anderen die Wahl geeigneter Werkstoffe mit entsprechend hoher Durchschlagfestigkeit, die der IEC-Norm 2430 entsprechen und einen CTI-Wert ≥ 600 besitzen (Comparative Tracking Index). Dieser Wert ist relevant für die elektrische Spannungsfestigkeit bzw. den Isolationswert des Werkstoffs in X- und Y-Richtung.

Auch der konstruktive Aufbau muss stimmen. Ein Aufbau in redundanten Anordnungen innerhalb eines Kontaktblocks sorgt nicht nur für eine höhere Belastbarkeit des Systems, sondern stellt zugleich eine hohe Funktionssicherheit im Sinne eines Fail-Safe bzw. Fail-Operational-Systems sicher. Zudem ist ein solcher Block als Ganzes leicht auswechselbar, was im Servicefall zu kurzen Stillstandzeiten der Anlage führt, währenddessen der Kontaktblock in Ruhe gewartet werden kann.

35 Jahre Erfahrung im Prüfmittelbau

Das Thema Prüfkontaktierung von IGBTs muss stets ganzheitlich betrachtet werden, was durch die Erfahrung im Prüfmittelbau bei FIXTEST gegeben ist. Der Erfahrungsschatz beruht auf vielfach realisierten Projekten auf diesem Gebiet. Doch auch die Erkenntnisse aus anderen Bereichen der Hochstromkontaktierung kommen hier zugute, so beispielsweise aus Projekten, in denen es um die Schnellladung von mobilen Transportsystemen geht. Hier sind es nicht die extrem kurzzeitigen und zugleich hohen Stromspitzen, auf die es ankommt, sondern konstante Ladeströme von etwa 50 A über Zeiträume von 0,5 bis 15 Minuten. Allerdings sind hierbei die Anforderungen an die Zahl der Lastwechselzyklen wesentlich höher als dies bei Testanwendungen der Fall ist. Wenn die Erfahrungen aus den verschiedenen Hochstrom-Anwendungsfeldern zusammenkommen, dann entstehen die perfekten Produkte für das gesamte Gebiet der elektrischen Energieübertragung.

Von Beginn an im Jahre 1984 setzte man bei FIXTEST Prüfmittelbau bereits als Start-Up-Unternehmen mit zwei Mitarbeitern auf Innovationen: Als erster Hersteller Europas setzte man tiefgezogenen Hülsen für bessere Laufeigenschaften und höhere Zuverlässigkeit ein. Weil solche Entwicklungen schon bald vom Markt übernommen werden ist es wichtig, stets mit weiteren Neuerungen und Detailverbesserungen vorne mit dabei zu sein. Im Laufe der Jahre kamen immer wieder Innovationen als Grundstein für neue Technologien hinzu, wie z.B. eine Nano-Oberflächenbeschichtung mit selbstreinigendem Effekt für Kontaktoberflächen. Mit dem wachsenden Markt an mobilen Geräten und E-Mobility-Anwendungen sind bei FIXTEST besonders Hochstrom-Lösungen für Lade- und Test-Technologien im Fokus.

IGBT: Wie funktioniert ein Insulated Gate Bipolar Transistor?

* Rainer Rothe ist Geschäftsführer des Testspezialisten Fixtest, Engen.

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