Zuverlässigkeit & Robustheit

Simulation, Design, Aufbau und Messung der Temperatur und Alterungserscheinungen, sowie des thermischen Verhaltens und der EMV von Leistungsmodulen

Offene studentische Arbeiten

Modellbasierte Software zur Steuerung einer SMU

Mithilfe von Quellen- und Mess-Einheiten (engl. Source Measure Unit, SMU) werden Leistungshalbleiter bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften charakterisiert. Hierfür ist die Einheit sowohl für die Speisung des Halbleiters verantwortlich (Quelle), als auch für die Messung von Spannungen und Strömen (Messen). Innerhalb von Lastwechseltests werden SMUs eingesetzt, um eine Charakterisierung während der Alterung verschiedenster Bauteile zu ermöglichen. Ein Großteil der Ausfälle in Leistungshalbleitern werden durch thermische Beanspruchungen hervorgerufen, die bei solchen Tests über einen gepulsten Stromverlauf aus der SMU erzeugt werden. Durch die hohe Beanspruchung über zyklisches Erhitzen und Abkühlen wird eine beschleunigte Alterung hervorgerufen.

Im Rahmen dieser Arbeit soll eine SMU entwickelt und in Betrieb genommen werden, die auf bereits vorhandenen SMUs basiert und dabei einen gepulsten Betrieb, während der Erfassung wichtiger Parameter ermöglicht.

Grober Zeitplan

  • Einarbeitung / Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation (30 %)
    • Ergänzung der bestehenden Topologie in Matlab/Simulink
    • Simulation der Parametermessung
    • Design eines Testlayouts
  • Aufbau und Inbetriebnahme (45 %)
  • Ausarbeitung und Vortrag (15 %)

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Aufgabenstellung

Wie in vielen Technologiebereichen wird auch in der Leistungselektronik das Ziel ver-folgt, Bauteile kleiner, leichter und gleichzeitig leistungsfähiger zu gestalten. 3-dimensionale Schaltungsträger wie MID‘s (Molded Interconnect Devices) haben diesbezüglich viele Vorteile. Zum einen besitzen sie das Potenzial zur weiteren Systemminiaturisierung und Funktions-integration. Zum anderen kann die Teilevielfalt eines Systems reduziert und die Wärmeabfuhr individuell optimiert werden. Neben MID auf Thermoplastbasis sind es neuerdings auch duroplastische und keramische Substratmaterialien die entwickelt wurden und für die Leistungselektronik interessant sind. Mit kleineren Leistungsmodulen und höherer Leistungsdichte steigen allerdings gleichzeitig die Anforderungen an die Aufbau- & Verbindungstechnik (AVT). Ein wichtiges Kriterium für die Materialauswahl und die AVT ist die thermische Performance. Die Berechnung des transienten Temperaturverhaltens der Halbleiter für ein gegebenes Verlust-leistungsprofil kann bspw. durch Zth-Kurven ermittelt werden.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen WBG-Leistungshalbleiter, auf neuartigen- räumlichen Substraten transient thermisch gemessen werden. Ein Teil der Arbeiten ist dabei die Konzeption, die Auslegung, die Konstruktion und der Aufbau von Probekörpern mit modernen AVT-Technologien wie Lötverfahren, Silber-sintern oder auch Semi-Sintern.

Die studentische Arbeit wird in Kooperation zwischen Hahn-Schickard und dem ILH betreut.

Einzeltätigkeiten

  • Aufbau von Probekörpern
  • Durchführung von Zth-Untersuchungen
  • Bewertung und Zusammenfassung der Ergebnisse
  • Dokumentation der Arbeit

Beginn: ab sofort

Kontakt ILH: Dominik Koch

Kontakt Hahn-Schickard: Kai Werum

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Erfassung der Einsatzspannung 𝑉_th als Beispiel eines DSEPs

Ein Großteil der Ausfälle in Leistungshalbleitern werden durch thermische Beanspruchungen hervorgerufen. Insbe sondere Temperaturwechsel führen zu einer mechanischen Ermüdung der Bauteil komponenten und damit einer verringerten Lebensdauer. Von elektrischer Seite her werden degradationssensitive Parameter  eingesetzt, um die Alterung des Bauelements zu beobachten. Jeder Ausfallmechanismus hat eine spezifische Degradationssignatur, die es ermöglicht die Art des Ausfalls zu bestimmen.

Im Rahmen dieser Arbeit sollen degradationssensitive Parameter mit besonderem Fokus auf Siliziumkarbid-MOSFETs (SIC-MOSFETs) untersucht werden.

Grober Zeitplan

  • Einarbeitung / Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation (35 %)
  • Ergänzung der bestehenden Topologie in Matlab/Simulink
  • Simulation der Parametermessung
  • Design eines Testlayouts
  • Aufbau und Inbetriebnahme (40 %)
  • Ausarbeitung und Vortrag (15 %)

Schwerpunkte (können auf individueller Basis gewichtet werden)

  • Elektrothermische Simulation
  • Platinenentwurf und Design
  • Lebensdaueruntersuchung / Auswertung Ausfallmechanismen

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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In der Leistungselektronik spielt die Temperatur in vielen Bereichen eine wichtige Rolle. So ist bspw. die Junction-Temperatur eines Transistors entscheidend für den sicheren Betrieb. Außerdem müssen Grenzwerte für Temperaturen im System, wie zum Beispiel die Kühlkörpertemperatur , eingehalten werden. Um diese Temperaturen zu messen, werden unterschiedliche Messmethoden eingesetzt, welche alle unterschiedliche Vor- und Nachteile besitzen.

In dieser Arbeit sollen mehrere Systeme qualitativ hinsichtlich Genauigkeit, Dynamik und Komplexität miteinander verglichen werden. Dazu sollen unterschiedliche Sensoren mittels SPI angesteuert werden und in unterschiedlichen Anwendungsfällen verglichen werden. Dazu soll eine Adapterplatine aufgebaut werden, an der unterschiedliche Sensoren angeschlossen und zentral ausgelesen werden können.

Zeitplan:

  • Einarbeitung & Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation der Adapterplatine (20 %)
  • Programmierung der SPI-Schnittstelle (20 %)
  • Messung und Evaluierung der einzelnen Sensoren (30 %)
  • Ausarbeitung und Vortrag (20 %)

Vorkenntnisse:

  • Layoutdesign in Altium
  • Eigenständiges Arbeiten
  • Praktische Erfahrungen im Labor

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

Kontakt: Dominik Koch

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Conventional power modules consist of a multilayer structure joined together by solder material and use bond wires to connect to the top metallization of the chip (Fig. 1).

Solder joints and bond wires are the weakest links in conventional power modules and limit their reliability. Due to a mismatch of their coefficients of thermal expansion of the components of the module, a temperature induced stress develops, which under cyclic load produces fatigue of these components and ultimately failure of the power module

The goal of this study thesis is to study through simulation the effect of selected parameters on the thermomechanical response of a power module.

Main points (can be weighted on an individual basis)

  • Thermo-Mechanical Analysis
  • Finite Element Simulation
  • Experimental Verification

Prerequisites (depending on the actual topic)

  • Experience with Ansys Mechanical (or the willingness to learn it before the study thesis)
  • Experience with microcontrollers (for experimental part)

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Für den Betrieb von leistungselektronischen Schaltungen ist die Kenntnis der Temperatur der Bauelemente ein wichtiger Indikator um die Leistung des Kühlsystems zu regeln, zur Erkennung von unsymmetrischen Belastungsfällen und für die Detektierung von Fehlerfällen mit unterschiedlich lagen Zeitkonstanten.

In vielen herkömmlichen Leistungsmodulen werden Dioden oder resistive Temperatursensoren als diskrete Bauelemente neben den Leistungstransistoren positioniert, wodurch die Reaktionszeit der Sensoren auf eine Temperaturänderung in den Leistungshalbleitern verhältnismäßig groß ist (ms…s).

Die laterale Struktur von GaN Transistoren erlaubt die monolithische Integration von sensorischen und logischen Schaltungsteilen direkt neben dem Leistungstransistor, was bereits in ersten Versuchen zu einer deutlichen Reduzierung der Reaktionszeit bei Temperaturmessungen geführt hat.

In dieser Arbeit soll eine Messschaltung entwickelt werden, die die Reaktionszeit des monolithisch integrierten Temperatursensors weiter verkürzt und somit die generelle Fehlererkennung für die leistungselektronischen Komponenten verbessert wird.

Themengebiete:

  • Temperaturschutzschaltungen:
    • Arten von Schutzschaltungen
    • Simulationsmöglichkeiten der Temperaturmessung
    • Möglichkeiten der Messwertverarbeitung
  • Schaltungsdesign einer Auswerteschaltung
  • Evaluierung des entwickelten Konzeptes

Kontakt: Jan Hückelheim

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Ein Großteil der Ausfälle in Leistungs-halbleitern werden durch thermische Beanspruchungen hervorgerufen. Insbe-sondere Temperaturwechsel führen zu einer mechanischen Ermüdung der Bauteil-komponenten und damit einer verringerten Lebensdauer. Konventionelle aktive Belast-ungswechseltests (PCT, Power Cycling Tests) basieren auf einer konstanten Bestromung des Prüflings und spiegeln damit nicht die im typischen getakteten Betrieb auftretende Erhitzung – hervor-gerufen durch Schalt- und Durchlass-verluste - wider.

Im Rahmen dieser Arbeit soll ein getakteter aktiver Power Cycler für SiC-MOSFETs untersucht werden.

Zeitplan

  • Einarbeitung / Literaturrecherche (10 %)
  • Design und Simulation (35 %)
  • Ergänzung der bestehenden Topologie in Matlab/Simulink
  • Simulation der Parametermessung
  • Design eines Testlayouts
  • Aufbau und Inbetriebnahme (40 %)
  • Ausarbeitung und Vortrag (15 %)

Vorkenntnisse

  • Leistungselektronik I/II o.ä.
  • Mikrocontroller (z.B. Texas Instruments)
  • Praktische Erfahrungen im Labor

Kontakt: Kevin Muñoz Barón

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Dieses Bild zeigt  Benjamin Schoch
M.Sc.

Benjamin Schoch

Wissenschaftlicher Mitarbeiter

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