Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiterbauelementen
Die Anforderungen an die Leistungsbauelemente sind hoch, da sie extremen Anforderungen bezüglich Temperatur und Leistungszyklen ausgesetzt sind, und Windenergieanlagen (WEA) auf eine Lebensdauer von 25 Jahren ausgelegt werden. Die mit dem Betrieb einhergehenden thermo-mechanischen Degradations- und Ausfallmechanismen der Bondverbindungen und Chiplötungen werden innerhalb der beschleunigten Prüfmethode des sogenannten Power Cycling Test (PCT) am Institut für elektrische Antriebe, Leistungselektronik und Bauelemente (IALB), Universität Bremen, untersucht.
Abhebende Bondverbindungen als Ursache für Chipausfall im PCT
Darüber hinaus können aber auch extreme Umgebungsbedingungen bzw. Umwelteinflüsse, insbesondere Feuchtigkeit, zu einer Degradation der Bauteilperformance und zu Ausfällen in der Anwendung führen. Auch Stromrichter in WEA sind betroffen und weisen teilweise hohe Ausfallraten auf, wodurch massive Reparaturkosten entstehen, die mit hohen Ertragseinbußen einhergehen.
Das standardisierte beschleunigte Testverfahren in Bezug auf Korrosion und andere feuchtegetriebene Degradationsmechanismen ist der sogenannte High Humidity High Temperature Reverse Bias (H³TRB) Test, im Rahmen dessen eine Betriebsdauer von 25 Jahren innerhalb von 1.000 Stunden simuliert werden kann. Das IALB ist auf individuelle H³TRB Tests mit verschärften Bedingungen spezialisiert.
Besonders empfindlich auf Feuchtigkeit reagiert der Randabschluss eines Leistungshalbleiter-Chips, dessen Isolationsvermögen durch die Korrosion der Chipmetallisierung drastisch reduziert wird. In einigen Fällen führt sogenannte elektrochemische Migration (ECM) zu Migrationsbrücken (Dendriten) auf der Oberfläche der Chipisolation, so dass es zum Kurzschluss kommen kann. In den meisten Fällen ist allerdings eine Korrosion der Aluminium-Chipmetallisierung für eine allmähliche Degradation des betroffenen Chips verantwortlich, die nach einer gewissen Zeit auch den Ausfall des Bauelements herbeiführen kann.
Korrosion in einem Insulated Gate Bipolar Transistor (IGBT) Modul nach H³TRB Test; ECM von Kupfer und Silber (oben), Aluminiumkorrosion (unten)
Ansprechpartner
Prof. Dr.-Ing. Nando Kaminski
+49 421 218-62660 Enable JavaScript to view protected content.
