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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung und Verfahren zur Restlebensdauerermittlung für elektronische Aufbauten, insbesondere Leistungshalbleitermoduln wie beispielsweise Umrichter.
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Elektrische Umrichter und deren Aufbauten sind im Betrieb hohen thermischen Belastungen ausgesetzt. Die Betriebsweise der Umrichter führt zu zeitlich veränderlichen Wärmeverlusten, die wiederum eine transiente Temperaturverteilung im gesamten Aufbau zur Folge haben. Durch diese Temperaturwechselbelastungen kommt es zu thermo-mechanischen Belastungen in der Schichtstruktur des Aufbaus, die letztendlich zu einer Schädigung einzelner Schichten, wie beispielsweise der Lotschichten führen können. Ein Fortschreiten der Schädigung verursacht letztendlich einen Ausfall des Umrichtermoduls. Ausfälle haben Ihren Ursprung dabei meist in der Ermüdung der Bondverbindungen oder der Chip- bzw. Systemlötung.
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Um eine Abschätzung für die Lebensdauer eines Moduls zu gewinnen, ist es bekannt, Umrichtermodule thermisch zu charakterisieren und in Lastwechseltests bei standardisierten Wechselbelastungen zu untersuchen. Damit werden pauschalierte Aussagen getroffen, für wie viele Lastwechselzyklen ein Modul bei konstanter Temperaturwechselbelastung zuverlässig funktionieren wird. Ein konkretes Modul wird dann entweder früher als erwartet ausfallen oder länger arbeiten.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Restlebensdauerermittlung für elektronische Aufbauten anzugeben, mit deren Hilfe eine genauere Ermittlung der Restlebensdauer möglich ist.
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Die Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen von Anspruch 1 gelöst. Hinsichtlich des Verfahrens wird die Aufgabe durch ein Verfahren mit den Merkmalen von Anspruch 10 gelöst. Die abhängigen Ansprüche betreffen Ausgestaltungen der Erfindung.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Restlebensdauerermittlung eines elektronischen Aufbaus umfasst wenigstens eine Messeinrichtung zur Ermittlung einer Temperatur im Bereich des elektronischen Aufbaus während des Betriebs des elektronischen Aufbaus. Weiterhin ist eine Einrichtung zur Erfassung wenigstens einer elektrischen Größe des elektronischen Aufbaus während des Betriebs des elektronischen Aufbaus vorgesehen. Schließlich weist die Vorrichtung eine Recheneinrichtung auf, die ausgestaltet ist, aus der ermittelten Temperatur und der elektrischen Größe eine Restlebensdauer für den elektronischen Aufbau zu berechnen.
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Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zur Restlebensdauerermittlung eines elektronischen Aufbaus wird während des Betriebs des elektronischen Aufbaus wenigstens eine Temperatur im Bereich des elektronischen Aufbaus ermittelt, wenigstens eine elektrische Größe des elektronischen Aufbaus erfasst und aus der ermittelten Temperatur und der elektrischen Größe eine Restlebensdauer für den elektronischen Aufbau berechnet.
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Bei dem elektronischen Aufbau kann es sich um ein leistungselektronisches Modul handeln, beispielsweise um einen Umrichter. Der elektronische Aufbau kann einen einzigen Chip aufweisen oder mehrere Chips.
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Als Restlebensdauer wird dabei ein Wert angesehen, der ein Maß für die voraussichtliche Restlaufzeit des elektronischen Aufbaus ist. Dieser Wert kann verschiedene Formen annehmen. Er kann beispielsweise in einer Anzahl verbleibender Temperaturwechsel bestehen. Er kann auch eine Zeit sein. Der Wert kann auch in der umgekehrten Angabe der verbrauchten Lebensdauer bestehen.
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Als Recheneinrichtung kann ein Mikroprozessor verwendet werden. Dieser kann insbesondere Teil des elektronischen Aufbaus sein. Alternativ kann auch ein Computer verwendet werden. Dieser kann auch ausgestaltet sein, die Berechnungen für eine Mehrzahl von elektronischen Aufbauten vorzunehmen.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Einrichtung zur Erfassung elektrischer Größen ausgestaltet, Strom und Spannung zu erfassen. Aus Spannung und Strom lässt sich die erzeugte Wärme berechnen. Dabei ist es für eine höhere Genauigkeit vorteilhaft wenn für jeden Chip des elektronischen Aufbaus separat Spannung und Strom erfasst werden.
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Es ist zweckmäßig, wenn die Messeinrichtung zur Ermittlung einer Temperatur ausgestaltet ist, die Temperatur an einer Mehrzahl von Messstellen zu ermitteln. Vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine der Messstellen so gelegt ist, dass die Temperatur eines Kühlmediums, beispielsweise einer Kühlflüssigkeit oder kühlender Luft erfasst wird. Weiterhin kann vorteilhaft wenigstens eine der Messstellen so gelegt sein, dass eine Umgebungstemperatur des elektronischen Aufbaus ermittelt wird.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Recheneinrichtung ausgestaltet, als Zwischenschritt aus der ermittelten Temperatur und der elektrischen Größe wenigstens einen Temperaturwert im elektronischen Aufbau zu berechnen. Zweckmäßig ist es, wenn eine Mehrzahl von Temperaturwerten an besonders kritischen Stellen berechnet wird. Solche kritischen Stellen sind beispielsweise die typischen Schwachstellen eines elektronischen Aufbaus, insbesondere Lotschichten und Drahtbondstellen.
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Die Ermittlung von Temperaturen, Erfassung elektrischer Größen und ggf. Berechnung von Temperaturen sowie die Berechnung der Restlebensdauer passiert dabei vorteilhaft während des Betriebs des elektronischen Aufbaus, also „on-line”. Dadurch kann von der pauschalen Lebensdauerangabe übergegangen werden zu der genaueren Angabe der Restlebensdauer, die das bisherige Betriebsleben des elektronischen Aufbaus berücksichtigt. Diese ist genauer als die pauschale Lebensdauerangabe. Die Ermittlung von Temperaturen, Erfassung elektrischer Größen und ggf. Berechnung von Temperaturen kann dabei kontinuierlich oder in festen, vorgebbaren Zeitabständen erfolgen. Eine jeweils zweckmäßige zeitliche Abfolge des Erfassens, Messens oder Berechnens kann dabei für jeden einzelnen Vorgang unabhängig von den anderen Vorgängen festgelegt werden. So können beispielsweise die schnell veränderlichen elektrischen Größen kontinuierlich erfasst werden, so schnell also die Vorrichtung mit den Werten umgehen kann, während die nicht so schnell veränderlichen Temperaturwerte lediglich im Abstand von beispielsweise 100 ms gemessen werden. Auch ist es möglich, die gemessenen oder erfassten Werte für eine gewisse Zeit zu mitteln.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung ist die Recheneinrichtung ausgestaltet, zu festlegbaren Zeitpunkten aus der ermittelten Temperatur und/oder dem Temperaturwert die Häufigkeiten von Temperaturwechseln zu bestimmen. Dabei kann insbesondere der bekannte Rainflow-Algorithmus verwendet werden. Unter Berücksichtigung der so ermittelten Häufigkeiten wird dann zweckmäßig die Restlebensdauer berechnet.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung und Weiterbildung der Erfindung wird eine Speichereinrichtung zur Aufnahme von Lebensdauerkurven verwendet. Die Lebensdauerkurven geben insbesondere einen Zusammenhang zwischen der Höhe von Temperaturwechseln und der erwarteten Menge von Temperaturwechseln bis zum Ausfall des elektronischen Aufbaus wieder. Vorteilhaft ist es, wenn die Lebensdauerkurven dazu verwendet werden, aus den ermittelten Häufigkeiten von Temperaturwechseln und deren jeweiliger Höhe den Verbrauch von Lebensdauer zu ermitteln.
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Der Status des elektronischen Aufbaus, der sich aus der ermittelten Restlebensdauer ergibt, lässt sich vorteilhaft mittels einer Anzeigeeinrichtung, insbesondere einer LCD-Anzeige, darstellen. Eine andere Möglichkeit besteht darin, die ermittelte Restlebensdauer oder analoge Werte zu einer zentralen Recheneinheit weiterzugeben, die beispielsweise eine Darstellung des Status für eine Mehrzahl von elektronischen Aufbauten vornimmt.
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Bevorzugte, jedoch keinesfalls einschränkende Ausführungsbeispiele für die Erfindung werden nunmehr anhand der Figuren der Zeichnung näher erläutert. Dabei sind die Merkmale schematisiert dargestellt. Es zeigen
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1 einen Umrichteraufbau mit Messstellen und eine Auswerteeinheit
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2 eine Lebensdauerkurve mit der Anzahl an Temperaturwechseln bis zum Ausfall eines Elements über der Höhe des Temperaturwechsels.
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Der elektronische Aufbau 10 gemäß der 1 weist einen Chip 12 mit einem Leistungsschalter, beispielsweise einem IGBT auf einem DCB-Substrat 11 auf. Der Chip 12 ist in diesem Beispiel mittels Bondrähten 18 elektrisch mit weiteren Komponenten (nicht dargestellt) verbunden. In einem Kühlmittelkanal unterhalb des DCB 11 sorgt eine Kühlflüssigkeit 13 für die Abfuhr von Abwärme aus dem Chip 12.
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Der elektronische Aufbau 10 ist mit einer Reihe von Messstellen 14...17 versehen. An diesen Messstellen 14...17 wird die Temperatur erfasst. Eine erste Messstelle 14 befindet sich im Kühlmittelkanal in der Kühlflüssigkeit 13. Eine zweite Messstelle 15 befindet sich auf dem Chip 12 in der Nähe des Bonddrahts 18. Eine dritte Messstelle 16 ist auf dem DCB-Substrat 11 nahe dem Chip 12 vorgesehen. Eine vierte Messstelle 17 ist auf dem DCB-Substrat 11 fern vom Chip 12 angebracht.
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Während des Betriebs des elektronischen Aufbaus 10 wird die Temperatur an den Messstellen 14...17 kontinuierlich in kleinen Zeitabständen von einem Mikroprozessor (nicht dargestellt) erfasst. Weiterhin werden die elektrischen Größen ständig erfasst, d. h. die Spannung über den Chip 12 und der vom Chip 12 aufgenommene Strom. Aus den elektrischen Größen bestimmt der Mikroprozessor die Abwärme, die im Chip entsteht.
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Über die Wärmezufuhr an den elektronischen Aufbau 10, die sich aus den elektrischen Größen ergibt, und die Temperaturen an den Messstellen 14...17 bestimmt der Mikroprozessor den zeitabhängigen Temperaturverlauf an kritischen Stellen im elektronischen Aufbau 10. Die kritischen Stellen sind beispielsweise die Lotschicht und die Bonddrahtstellen.
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Um diese Berechnung vorzunehmen, ist es zweckmäßig, ein mathematisches Modell zu verwenden. Dieses mathematische Modell kann beispielsweise vorab ermittelt werden, sodass der Mikroprozessor nur noch vergleichsweise einfache analytische Berechnungen vornehmen muss, um aus den Eingangsgrößen die Ausgangsgrößen zu ermitteln. Die Ermittlung des Modells kann vorab beispielsweise über Finite-Elemente-Simulationen oder anderweitige Modellbildungen durchgeführt werden.
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Bei einem Betrieb beispielsweise eines Umrichters ergibt sich durch die Schaltvorgänge automatisch ein Betrieb mit wechselnden Temperaturen. Dabei ergeben sich an den kritischen Stellen, also beispielsweise Lotschichten, entsprechend ebenfalls wechselnde Temperaturen. Die Höhe der Temperaturänderungen hängt von den konkreten elektrischen Verhältnissen, der Umgebungstemperatur, dem Kühlmittelfluss und anderen Bedingungen ab. Sie wird durch die vom Mikroprozessor durchgeführte Berechnung abgeschätzt, wobei über die erfassten elektrischen Größen und Temperaturmessstellen 14...17 die tatsächlichen Bedingungen am elektronischen Aufbau 10 einbezogen werden. Daher kann ein relativ genauer Wert für die tatsächlichen Temperaturänderungen an den kritischen Stellen gewonnen werden.
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Dabei ist es möglich, dass beispielsweise ein Wert für eine Bondstelle eines Bonddrahtes gewonnen wird, während eine ganze Reihe von Werten für die Temperaturänderung über die Fläche einer Lötung ermittelt wird. Je größer die betrachtete Fläche und je größer ein zu erwartender Temperaturgradient über die Fläche, desto sinnvoller ist es, mehrere Temperaturen über die Fläche oder Länge zu berechnen und betrachten.
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Ein Zählverfahren wird angewendet, um die Zahl und Verteilung der Temperaturwechsel zu erfassen. Hier kommen bekannte Zählverfahren in Frage, beispielsweise der Rainflow-Algorithmus. Damit wird aus den errechneten Temperaturwerten an den kritischen Stellen eine Verteilung von Temperaturwechseln in Wertebereichen in Korrelation mit deren jeweiliger Anzahl ermittelt. Dies geschieht zweckmäßig für jede Stelle separat, für die ein Temperaturwert errechnet wird. Alternativ kann auch nur eine Wertetabelle für alle Stellen erstellt werden.
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Der Mikroprozessor berechnet anschließend aus den Ergebnissen des Zählverfahrens im Vergleich mit hinterlegten Lebensdauerkurven 20 eine verbrauchte Lebensdauer des elektronischen Aufbaus 10. 2 zeigt eine solche Lebensdauerkurve 20. Die Lebensdauerkurve 20 weist für verschiedene Höhen von Temperaturwechseln aus, nach wie vielen Temperaturwechseln mit einem Ausfall des elektronischen Aufbaus 10 zu rechnen ist. Hierbei kann eine Lebensdauerkurve 20 verwendet werden. Die Genauigkeit der Abschätzung der verbrauchten Lebensdauer kann erhöht werden, indem mehrere Lebensdauerkurven 20 verwendet werden, wobei die Lebensdauerkurven 20 an die jeweilige betrachtete kritische Stelle angepasst sind. So könnte beispielsweise eine Lebensdauerkurve 20 für den oder die Bonddrähte und eine weitere Lebensdauerkurve 20 für die betrachteten Stellen der Lotschicht verwendet werden.
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Der Mikroprozessor und die sonstige nötige Elektronik, beispielsweise für die Temperaturmessung, sind in diesem Beispiel auf einer Mess- und Auswerteplatine integriert. Auch die elektrischen Größen werden hier erfasst. Die Berechnung ist daher in diesem Beispiel in die Applikation, also den elektronischen Aufbau 10, integriert und läuft on-board über den Mikroprozessor mit. Der Lebensdauerstatus des elektronischen Aufbaus 10 aufgrund der Belastung im Betrieb kann beispielsweise über ein LCD angezeigt werden. Die Anzeige des Status der Lebensdauer erfolgt dabei praktisch in Echtzeit. Lediglich ist eine gewisse Belastungshistorie nötig, um die verbleibende Lebensdauer ausrechnen zu können.
