Warum Leistungsmodule in der Praxis ausfallen können

CTE-Fehlanpassung ist ein inhärentes Problem

Wären alle Materialien innerhalb eines Leistungsmoduls – einschließlich der Verbindungen zur Leiterplatte und zum Kühlkörper – homogen, würden Temperaturschwankungen kaum Belastungen verursachen. In der Realität besteht der Wärmepfad eines typischen Moduls jedoch aus einer Mischung von Materialien wie Silizium, Kupfer, Keramik, Glasfaser, Aluminium, Lötmittel und anderen. Die Vergussmasse um die internen Komponenten kann Druck- und Zugkräfte ausüben. Alle Materialien weisen unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) auf. Der CTE gibt an, wie sich die lineare Ausdehnung eines Materials mit der Temperatur ändert und wird üblicherweise in Mikrometern pro Meter pro Kelvin (µm/mK) angegeben. Aluminium hat beispielsweise einen CTE von etwa 23 µm/mK, während ein Siliziumchip am anderen Ende des Spektrums einen Wert von etwa 3 aufweist. Bei einer Temperaturänderung von 100 °C – einem realistischen Szenario für einen Leistungshalbleiter – dehnt sich beispielsweise der Bereich der Aluminium-Bonddrahtbefestigung etwa achtmal stärker aus als der darunter liegende Siliziumchip. Dies entspricht einer Dimensionsänderung von etwa 2,3 µm im Vergleich zu nur 0,3 µm auf einer Länge von 1 mm.

Die neuesten DC/DC-Modul-Leistungsschalter bestehen häufig aus Siliziumkarbid oder Galliumnitrid mit großer Bandlücke. Obwohl ihre Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) mit etwa 4 bzw. 5 höher sind als die von Silizium, liegen sie zumindest näher an den Werten der Materialien, mit denen sie üblicherweise interagieren.

Bei DC/DC-Wandlern mit hoher Leistungsdichte werden diese Schalter heute fast ausschließlich in Ball-Grid- oder Land-Grid-Array-Gehäusen (BGA) gefertigt, anstatt wie früher in herkömmlichen bedrahteten Gehäusen. Letztere boten eine gewisse mechanische Spannungsentlastung bei einem der größten Unterschiede in den Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE) – vom Leadframe über das Lötmittel bis zu den Kupferleiterbahnen. Durch den Materialstapel von der Hauptplatine über den Chip bis hin zur Kühlung auf der Oberseite können die vielfältigen CTE-Unterschiede in einem Leistungsmodul potenziell Probleme wie Mikrorisse oder sogar Ablösungen verursachen.

Abbildung: Beispiel eines montierten Leistungshalbleiters und seiner verschiedenen Material-Wärmeausdehnungskoeffizienten

Ein optimaler Zuverlässigkeitstest

Traditionell werden Geräte oder Module bei konstanten Temperaturen oder mit kontrollierten, wiederholten Umgebungstemperaturänderungen getestet, typischerweise mit einer Anstiegsrate von etwa 15 °C pro Minute. Thermoschocktests gehen noch einen Schritt weiter und erreichen oft bis zu 40 °C pro Minute. Während solche Tests für unabhängige Prüfstellen Standard sind, ist die Simulation der tatsächlichen Einsatzumgebung ein realistischerer Ansatz. In Rechenzentren beispielsweise bleiben die Umgebungstemperaturen tendenziell stabil, während die Lasten nach definierten Mustern, Anstiegsraten und in regelmäßigen Abständen schwanken. Es ist offensichtlich, dass die thermischen Belastungseffekte dieses Ansatzes sich deutlich von denen unterscheiden, die durch eine feste Last und eine variable Umgebungstemperatur verursacht werden.

Flex Power Modules entwickelt seine Leistungsmodule, um Probleme im Zusammenhang mit CTE-Fehlanpassungen zu minimieren, und führt thermische Tests unter typischen Marktbedingungen durch. Darüber hinaus arbeiten wir eng mit unseren Kunden zusammen, um deren spezifische Anwendungsumgebungen zu simulieren und so eine präzisere und glaubwürdigere Zuverlässigkeitsbewertung unter realen Bedingungen zu ermöglichen.