Lastwechselprüfplätze für Leistungshalbleiter

Beim aktiven Lastwechseltest (Active Power Cycling) wird der Prüfling durch seinen eigenen Durchlassstrom periodisch aufgeheizt und in der Abkühlphase über ein Kühlsystem wieder abgekühlt. Die dabei entstehenden zyklischen Temperaturhübe (ΔTj) erzeugen thermomechanische Spannungen an den Grenzflächen zwischen Materialien mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten. Die typischen Ausfallmechanismen sind:

• Bond-Draht-Abheben (Bond Wire Lift-off): Durch die unterschiedliche Wärmeausdehnung von Aluminium-Bonddraht und Chipoberfläche entstehen Scherspannungen, die zur Ablösung der Bondverbindung führen. Manifestiert sich als Anstieg der Durchlassspannung VCE(sat).
• Chipmetallisierungs-Degradation: Rekristallisation und Rissbildung in der Aluminium-Metallisierung auf dem Chip, beschleunigt durch hohe Temperaturschwankungen.
• Lotschicht-Ermüdung (Solder Fatigue): Rissfortschritt in der Lötverbindung zwischen Chip und DCB-Substrat (Die Attach) sowie zwischen Substrat und Bodenplatte. Manifestiert sich als Anstieg des thermischen Widerstands Rth(j-c).

Die ECPE-Richtlinie AQG 324 definiert zwei unterschiedliche Lastwechsel-Modi, die gezielt unterschiedliche Ausfallmechanismen adressieren:

• PCsec (ton < 5 s): Kurze Heizpulse erzeugen steile Temperaturgradienten, die primär die chipnahen Verbindungen belasten -- Bond-Drähte, Chipmetallisierung und die obere Lotschicht (Die Attach). Dieser Modus simuliert Anwendungen mit schnellen Lastwechseln wie Motorumrichter.
• PCmin (ton > 15 s bis Minuten): Längere Heizzeiten lassen die Wärme tief in die Aufbaustruktur eindringen. Die thermische Belastung verteilt sich bis in Substrat, Baseplatte-Lötung und Gehäuseanbindung. Dieser Modus ist relevant für Anwendungen mit langsameren Lastzyklen.

Die End-of-Life-Kriterien nach AQG 324: +5 % Anstieg VCE(sat) oder +20 % Anstieg Rth gegenüber dem Anfangswert.

Die Standardmethode ist die VCE(T)-Methode (auch TSEP-Methode -- Temperature Sensitive Electrical Parameter). Dabei wird der Halbleiter selbst als Temperatursensor genutzt:

1. Kalibrierkurve: Vor Testbeginn wird die temperaturabhängige Durchlassspannung VCE bei einem definierten Messstrom (typisch 1-500 mA) für verschiedene Temperaturen aufgenommen.
2. Messung im Test: Nach jedem Lastzyklus wird der Laststrom abgeschaltet und ein kleiner Messstrom eingeprägt. Die gemessene Durchlassspannung wird über die Kalibrierkurve in die virtuelle Sperrschichttemperatur Tvj umgerechnet.
3. Zth-Bestimmung: Aus dem Abkühlverlauf Tvj(t) kann die transiente thermische Impedanz Zth(t) berechnet werden -- ein empfindlicher Indikator für beginnende Lotschichtdegradation, bevor sich der stationäre Rth messbar verändert.

Bei SiC-MOSFETs ist zu beachten, dass sich die Kalibrierkurve je nach Gate-Bias-Bedingung (VGS = 0 V vs. VGS = -10 V) unterschiedlich verhält und durch Alterung verschieben kann.

Wide-Bandgap-Halbleiter unterscheiden sich in mehreren Aspekten von konventionellen Si-IGBTs:

• Höhere Betriebstemperaturen: SiC-Module können bei Sperrschichttemperaturen bis 200°C und darüber qualifiziert werden. Das Prüfsystem muss diese Temperaturen zuverlässig messen und regeln.
• Andere Aufbautechnologien: Moderne SiC-Module verwenden oft gesinterte Chipanbindungen (Silber-Sinter statt Lot) und Kupfer-Bonddraht statt Aluminium. Diese Verbindungstechnologien haben andere Ermüdungscharakteristiken und erfordern angepasste Testparameter.
• Kleinere Chipflächen: Bei gleicher Stromtragfähigkeit sind SiC-Chips deutlich kleiner als Si-IGBTs, was zu höheren lokalen Wärmestromdichten führt.
• Kalibrierkurven-Stabilität: Bei SiC-MOSFETs kann sich die VCE(T)-Kalibrierkurve durch Gate-Oxid-Alterung verschieben (Threshold Voltage Drift), was die Temperaturmessung beeinflusst.

Unsere Systeme bieten eine vollständige Messinfrastruktur für normgerechte Power-Cycling-Tests:

• Laststromerzeugung: 10 A bis 2000 A, konfigurierbar auf Modulanforderungen
• Messstromquelle: bis 5000 mA für die VCE(T)-Methode, inklusive automatischer Kalibrierkurvenermittlung
• Prüfplätze: bis zu 36 Messstellen in 3 unabhängigen Strängen (TLW 800), bis zu 20 Prüfplätze in einem Strang (TLW 820)
• Temperaturmessung: Thermoelemente Typ K an jedem Prüfplatz plus Strangtemperaturen
• Kühlung: Individuell regelbare Kühlkreisläufe (Wasser) je Strang mit PT100-Sensorik
• Optional: Aufzeichnung von Abkühlkurven und transiente Zth-Messung
• Datenmanagement: SPS-gesteuerter Dauerbetrieb mit automatischer Aufzeichnung, E-Mail-Benachrichtigung bei Testunterbrechungen, Netzwerk-Schnittstelle für Remote-Zugriff
• Sicherheit: Schutzhaube mit Sicherheitszuhaltung, automatische Grenzwertüberwachung