Forschung für den Mittelstand - Die IGF-Projektdatenbank

Design, Qualifizierung und Selbsttest für Leistungselektronik mit extrem hoher Lebensdauer

Ziel des Vorhabens ist die Entwicklung und Verifizierung eines Verfahrens zur testbasierten Qualifizierung leistungselektronischer Baugruppen für extrem hohe Zyklenzahlen. Das Verfahren soll es KMU ermöglichen, durch zeitlich und kostenmäßig begrenzte Tests die Zuverlässigkeit für bis zu 25 Jahre bzw. mindestens 10 Mio. Lastwechselzyklen abzusichern. Die hierfür zu lösenden wissenschaftlichen Fragen betreffen:

- Prüfmethoden zur Beschleunigung von Tests

- Frühindikatoren für Degradation und Ausfall

- Konzepte für eingebauten Selbsttest (BIST, built‐in self‐test)

Für KMU effizient verwertbare Ergebnisse ergeben sich, weil die Qualifizierungskosten einen hohen Anteil an den Entwicklungskosten mechatronischer Systeme ausmachen. So sind die experimentellen Zuverlässigkeitsnachweise extrem zeit‐ und kostenaufwändig. Bei Kleinserien, wie sie bei Spezialprodukten von KMU typisch sind, ist die Kostenfrage besonders bedeutsam, weil die auf die Stückzahl bezogenen anteiligen Prüfkosten die Gesamtstückkosten entscheidend beeinflussen. Da mit dem Vorhaben der Prüfaufwand vermindert werden soll, können die Ergebnisse des Vorhabens gerade KMU helfen, die Entstehungskosten bezogen auf das einzelne leistungselektronische System signifikant zu vermindern. Die Verminderung der Prüfzeiten, welche bei Zuverlässigkeitsprüfungen bereits heute mehrere tausend Stunden betragen, ermöglicht es den KMU, auch die Innovationszyklen kostenneutral zu verkürzen, ohne den materiellen Entwicklungsaufwand zu erhöhen.

Zum Transfer der Ergebnisse dient auch ein Leitfaden für Test, Qualifizierung, Dimensionierung und Überwachung langzeitzuverlässiger leistungselektronischer Baugruppen.

Ergebniszusammenfassung:

Ziel des Vorhabens war die Entwicklung und Validierung eines Verfahrens zur testbasierten Qualifizierung leistungselektronischer Baugruppen für extrem hohe Zyklenzahlen. Die durchgeführten Untersuchungen wurden an neuesten Hochleistungsmodulen mit IGBT-Bauelementen in Silbersinter- und Kupfertechnologie durchgeführt. Zudem wurden zum Vergleich Referenzmodule nach dem Stand der Technik eingesetzt.

Die wesentlichen Ergebnisse des Vorhabens und deren Anwendungsmöglichkeiten sind:

- Es wurde der Nachweis erbracht, dass extreme Testbeschleunigung auf Basis zeitlich kurzer, thermisch hoch belastender Leistungszyklen an langlebigen Modulen möglich ist. Hierdurch können die extrapolierbaren Prüfzeiten für beispielsweise 10^7 Zyklen auf einige Tage reduziert werden. Somit sind in der Anwendung deutlich kürzere Testzeiten möglich, wodurch in der Qualifizierung, aber auch in der Entwicklung von Produkten Kosten und Zeit eingespart werden können. Damit sollte ebenfalls eine deutlich frühere Markteinführungszeit für neue Produkte einhergehen.

- Für das Testmodul konnte ein umfassendes Lebensdauermodell erstellt werden, das die Einflussgrößen Temperaturhub, mittlere Zyklustemperatur und Zeitdauer des Lastpulses berücksichtigt. Dieses Lebensdauermodell wurde auf den Konferenzen PCIM21 und der ECTC22 publiziert. Hierdurch ist dieses für die Industrie verfügbar. Weiterhin konnte auch die Streuung der Lebensdauern sehr gut durch zweiparametrische Weibullfunktionen statistisch modelliert werden. Dies gilt sogar modellübergreifend.

- Weiterhin wurden Messverfahren entwickelt oder adaptiert und untersucht, mit denen bei Power-Cycling-Tests Schädigungen bereits vor dem Ausfall in-situ erkannt werden. Somit werden Bauteilverformungen, ortsabhängige Temperaturtransienten sowie elektrische Parameter visualisiert und quantifiziert. Sie können so als Frühindikatoren für Degradation und Schädigung herangezogen werden.