Power Devices zwischen Theorie und thermo-mechanischer Realität

Auf abstrakter Definitionsebene, fern einer realen Applikation, gilt der ideale Zustand. In dieser Folge zum Thema „Grundlagen der Leistungshalbleiter“ betrachtet der Autor die thermo-mechanische Realität.

Im Gegensatz zum idealen Schalter weisen moderne Halbleiter im Betrieb noch immer Verluste auf, die zu einer erheblichen Erwärmung führen. Temperatur und vor allem Temperaturhübe stellen für den Halbleiter Belastungen dar, die zu Verschleiß und schlussendlich zur Zerstörung führen. Das thermische Management rund um den Halbleiter ist deshalb ein entscheidender Aspekt, der in elektrischen Simulationen häufig zu wenig Beachtung findet.

In Analogie zum elektrischen Ersatzschaltbild eines Halbleiters lässt sich das thermische Verhalten ebenfalls mit einem Ersatzschaltbild beschreiben. Bild 1 verdeutlicht, wie die von den Halbleitern erzeugte Verlustleistung P_v über eine Reihenschaltung thermischer Widerstände abfließt. Die Temperatur am Chip ergibt sich in diesem Schaltbild aus der einfachen Beziehung:

T_vj = T_amb + P_v • ∑ R_th

Tatsächlich sind bereits in dieser Darstellung Vereinfachungen eingeführt, die zu einer erheblichen Differenz zwischen analytischer Berechnung und realem Aufbau führen können. Je nach Halbleitermodul, dessen Aufbau und der Anordnung der Chips auf den Substraten führt die geometrische Nähe von IGBT und Diode zu einer gegenseitigen Erwärmung, die das vereinfachte thermische Modell nicht abbildet. Wie stark der Einfluss ist, hängt vom jeweiligen Modul und dessen Kühlung ab; es ist aber plausibel, dass eine Diode selbst ohne eigene Verlustleistung erwärmt wird, wenn der IGBT direkt neben ihr auf einem höheren Temperaturniveau arbeitet.

Die zweite oft fehlerbehaftete Annahme ist, dass die angegebenen thermischen Widerstände die realen thermischen Eigenschaften des Halbleitermoduls präzise beschreiben. Innerhalb des Moduls besteht der thermische Pfad aus soliden Materialien, deren physikalische Eigenschaften sehr genau bekannt sind.

Der thermische Widerstand vom Chip bis zur Bodenplatte R_thjc findet sich daher als validierter Parameter im Datenblatt von Halbleitern wieder; er wird als max-Wert angegeben. Der thermische Übergangswiderstand von Modulbodenfläche zum Kühlkörper R_thch beinhaltet jedoch Eigenschaften, die nicht im typischen Wirkungsbereich von Halbleiterherstellern liegen. Hierzu zählen die verwendeten Wärmeleitmaterialien, der Prozess der Aufbringung dieser Materialien und die Oberflächenbeschaffenheit des eingesetzten Kühlkörpers. Der im Datenblatt angegebene Wert findet sich daher in der Kategorie typisch wieder.

Ein regelmäßig auftretender Fehler in Simulationen beruht darauf, die Leitfähigkeit einer homogenen Schicht des Wärmeleitmaterials auf Basis eines Datenblattwertes zu bestimmen und den gefundenen Wert als R_thch anzusehen. Ein Wärmeleitmaterial mit höherer spezifischer thermischer Leitfähigkeit führt nach dieser Vorstellung zu einer niedrigeren Chip-Temperatur.

Die empirisch ermittelten Daten des in Bild 2 gezeigten Diagramms widerlegen diese Annahme. Es besteht kein deterministischer Zusammenhang zwischen dem im Datenblatt eines Wärmeleitmaterials angegebenen Werte für dessen thermische Leitfähigkeit und der in der Applikation gemessenen Chip-Temperatur.

Ursprung der Abweichung ist die Vereinfachung, Wärmeleitmaterial als homogen wirkende, isotrop verteilte Masse zu interpretieren, deren Leitfähigkeit alleine für die Bestimmung von R_thch hinreichend ist. In Aufbauten mit großflächigen Halbleitern ergibt sich diese Größe aus mehreren Komponenten wie in Bild 3 dargestellt ist.

Der tatsächlich resultierende thermische Gesamtwiderstand R_thch ist eine Kombination aus dem Wärmewiderstand der verwendeten Wärmeleitmaterialien R_thTIM, den sich ausprägenden Kontaktwiderständen R_thKontakt und den Anteilen R_thMM, bei denen das Metall der Bodenplatte in direkten Kontakt mit dem Metall des Kühlkörpers kommt. Die beiden wichtigen Anteile R_thMM und R_thKontakt sind in der Regel unbekannt, da sie unter anderem von der Größe der Partikel in der Wärmeleitpaste, dem Füllfaktor in mikroskopischen Strukturen und dem Prozess der Auftragung des Materials abhängen.

Zur Verdeutlichung sind die Materialien A bis C schematisch dargestellt, die sich bezüglich der verwendeten Füllstoffe voneinander unterscheiden. Trotz gleicher Datenblattwerte für die Wärmeleitfähigkeit ergeben sich in der Applikation erhebliche Unterschiede in den Chiptemperaturen, mit massiven Auswirkungen auf die Lebensdauer der Komponenten.

Die umliegenden Komponenten aufheizen

Zusätzlich zu den genannten Vereinfachungen wird stillschweigend vorausgesetzt, dass die entstehende Wärme vollständig über den Kühlkörper an die Umgebung abfließt. Diese Annahme ist häufig ein Trugschluss.

Wärme, die aufgrund ohmscher Verluste an Zuleitungen, DC-Schienen und Verbindungselementen entsteht, findet diesen Weg oft nicht oder nur unzureichend. Ohne ein adäquates thermisches Management, Simulation und Verifikation an realen Systemaufbauten besteht das Risiko, dass Wärme über Terminals und Kupferflächen an Stellen fließt, an der sie unerwünscht ist. Eine Erwärmung der elektronischen Komponenten in der Umgebung der Leistungselektronik ist die Konsequenz.

Stetig wachsende Leistungsdichten, die zu immer kompakteren Geräten führen, können dieses Problem verstärken. Bild 4 (Bild 4a und 4b) zeigt Aufnahmen von zwei Aufbauten, die sich nur in der Halbleiterbestückung unterscheiden. Bei ansonsten gleichem Aufbau führt die Verwendung neuer Halbleitermodule mit höherer Stromtragfähigkeit zu einer Vergrößerung der Leistungsdichte um mehr als 30%. Die höheren Ströme am Ausgang bedurften einer Veränderung der Anschlussgeometrie, die in Bildteil b) hervorgehoben ist.

Zur Bewertung der thermischen Situation im Aufbau sind mehrere Thermoelemente eingebracht, die die Temperatur an den AC- und DC-Terminals sowie weiteren thermisch empfindlichen Bauteilen erfassen. Da die Leistungsdichte prozentual stärker wächst als es der Wirkungsgrad der Halbleiter kann, ist mit höheren Temperaturen an allen Komponenten zu rechnen. Das Experiment zeigt, dass die Temperaturen fast aller Komponenten nur marginal steigen und keine Einschränkung darstellen. Ausnahme hierbei ist der auf der AC-Seite montierte Stromsensor. Durch die höhere Stromdichte in den unveränderten Schienen entstehen überproportional hohe ohmsche Verluste, da diese quadratisch mit dem Strom zunehmen. Die in der Nähe der Stromsensoren gemessene Temperatur stellt in diesem Aufbau die begrenzende Größe dar.

Das Beispiel zeigt eindrucksvoll, dass ein Upgrade auf modernere Halbleiter einen erheblichen Gewinn an Leistungsdichte erwirtschaften kann. Es stellt aber ebenso dar, dass ein ganzheitlicher Ansatz unter Einbeziehung des thermischen Managements den erwirtschafteten Vorteil noch deutlich vergrößern kann.

Schlussendlich: Vom idealen Schalter ist die Leistungselektronik heute nicht mehr zu weit entfernt. Trotzdem tut der Entwickler gut daran, beim Design eines Gerätes einen genauen Blick auf parasitäre Eigenschaften zu werfen und Zeit in alle Bereiche des thermischen Managements zu investieren. Erst diese umfassende Betrachtung stellt sicher, dass alle Vorteile der stetig leistungsstärker werdenden Halbleiter vollständig zum Tragen kommen.

In einer weiteren Folge der Betrachtungen zum Thema „Leistungshalbleiter zwischen Abstraktion und elektrischer Realität“ nimmt Autor Martin Schulz die parasitären elektrischen Eigenschaften unter die Lupe, die gerne vernachlässigt werden.

* Martin Schulz arbeitet im Application Engineering bei Infineon Technologies in Warstein.

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