RAPSDRA: Reliability of advanced high power semiconductor devices for railway traction application

• Research unit: EU RFP
• Project number: 95.0023-1b

Key words (German)

Leistungselektronik; Zuverlässigkeit; IGBT; Zuverlässigkeitsindikator; Frühwarnsystem; Traktion; Wartung; Verfügbarkeit

Alternative project number (English)

EU project number: BRPR-CT95-0074

Research programs (English)

EU-programme: 4. Frame Research Programme - 2.1 Industrial and materials technologies

Short description (German)

Siehe Abstract

Further information (English)

Full name of research-institution/enterprise:
Eidg. Materialprüfungs- und Forschungsanstalt EMPA

Abteilung Elektronik/Messtechnik

Partners and International Organizations (German)

ABB Semiconductors AG, Siemens AG

Abstract (German)

Zuverlässigkeitsindikatoren für Leistungshalbleiter in Traktionsanwendungen dienen der Ueberwachung relevanter Parameter während dem Betrieb und erlauben Rückschlüsse auf den Verlauf von Schädigungen und damit eine Abschätzung der Restlebensdauer. Bei rechtzeitiger Wartung kann somit die Systemverfügbarkeit erhöht werden.
Wichtigste Ausfallursache von IGBT-Modulen unter thermischer Wechsellast, wie sie in Traktions-anwendungen auftritt, sind Risse in gebondeten Chipkontakten. Diese Risse wachsen aufgrund mechanischer Spannungen, die durch unterschiedliche Ausdehnungen der beteiligten Materialen entstehen.
Um die messtechnischen Nachteile bekannter Indikatoren (Zunahme der Kollektor-Emitter-Spannung und der Sperrschichttemperatur) zu umgehen, wurde eine Methode entwickelt, die das Risswachstum charakterisiert, indem die elektrische Widerstandsänderung im Bondkontakt gemessen wird. Dazu wird dem Bondkontakt ein reiner, sinusförmiger Strom (f=1kHz) von wenigen Ampère eingeprägt und der Spannungsabfall gemessen. Aufgrund der nichtlinearen Widerstandscharakteristik des geschädigten Bondkontaktes erfolgt eine Verzerrung der Spannung, deren Mass vom Verhältnis der Dritten Harmonischen zur Grundwelle (THI, Third Harmonics Index) gebildet wird.
An IGBT-Chips, die mit nur einem Bonddraht kontaktiert sind, konnte damit das Risswachstum nachgewiesen und verfolgt werden.
Die Aussagekraft der Messung zeigte sich jedoch als sehr stark limitiert, wenn sie an Hochleistungsmodulen mit 16 parallelgeschalteten Chips und einem Messkontakt pro Chip durch-geführt wird. Der Anteil der Dritten Harmonischen wird durch die grosse Anzahl parallelgeschalteter Bondkontakte (256) derart reduziert, dass er selbst mit Präzisionsmessinstrumenten (Lock-In Verstärker) kaum vom Rauschen unterschieden werden kann.
Damit eignet sich die THI-Messung als Zuverlässigkeitsindikator für IGBT-Module in Traktions-anwendungen nicht, weil eine signifikante Aussage nur mit grossem messtechnischen Aufwand erzielt werden kann. Für die Entwicklung feldtauglicher Zuverlässigkeitsindikatoren soll in künftigen Untersuchungen dem thermischen Verhalten im Betrieb (z.B. Warnung beim Ueberschreiten einer Grenztemperatur) mehr Bedeutung beigemessen werden. Zudem könnten damit andere Ausfallmechanismen, wie z.B. Lotermüdung, erfasst werden.

References in databases (English)

Swiss Database: Euro-DB of the
State Secretariat for Education and Research
Hallwylstrasse 4
CH-3003 Berne, Switzerland
Tel. [phone]
Swiss Project-Number: 95.0023-1b