DE10203790A1 - Aktive Stabilisierung des Temperaturniveaus in Halbleiterbauelementen - Google Patents

Aktive Stabilisierung des Temperaturniveaus in Halbleiterbauelementen

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Abstract

Zur Vermeidung von Temperaturschwankungen in Halbleitern wird die Temperatur bei geringer elektrischer Belastung aktiv so angehoben, dass das Temperaturniveau des Halbleiterbauelementes dem bei einer vergleichsweise hohen elektrischen Belastung im wesentlichen entspricht. Um eine Folge wechselnder Belastungen zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Temperatur auf einen möglichst konstanten Wert zu regeln. Das heißt für den Fall geringerer Belastung des Halbleiters wird die Temperatur durch verringerte Kühlung oder erhöhte Verluste oder Heizung auf einem konstanten Wert gehalten. Auf diese Weise können Temperaturwechsel vermieden bzw. stark reduziert werden, wodurch Alterungsprozesse verlangsamt werden.

Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes mit Maßnahmen zur Vermeidung von Temperaturschwankungen.
  • Halbleiter, im besonderen Leistungshalbleiter, werden gewöhnlich hergestellt, indem ein Silizium-Chip auf ein Substrat gelötet wird. Dieses wird wiederum auf eine Bodenplatte gelötet. Die elektrischen Kontakte an dem Chip werden typischerweise gebondet. Die Darstellung gemäß der Fig. 1 zeigt den Aufbau eines modernen Leistungshalbleiters. Auf einer Bodenplatte 1 aus AlSiC ist mit einer Lötschicht 2 eine Isolationsschicht 3 aus AlN aufgebracht, die mehrere Säulen aus Kupfer trägt. Auf einer dieser Kupfersäulen ist über eine weitere Lötschicht 8 das eigentliche Halbleiterbauelement 9 aufgelötet. Die anderen Kupfersäulen 4 dienen als Anschlusspads, die über Bondingdrähte 5 mit dem Halbleiterbauelement 9 verbunden sind. An die Anschlusspads führen z. B. Anschlüsse für den Laststrom etc.. Diese Anordnung ist schließlich mit der, Bodenplatte auf einem Kühlkörper 7 aufgebracht.
  • Jede dieser angesprochenen Verbindungsstellen ist prinzipiell empfindlich gegenüber einer Temperatur-Wechselbeanspruchung, da hier Materialien verschiedener Ausdehnungskoeffizienten benutzt werden. Dadurch stellen Temperaturwechselbeanspruchungen einen Faktor dar, der die Lebensdauer der Halbleiter begrenzt. Diese Problematik ist unter anderem in der Veröffentlichung "The Evolution of IGBT Converters for Mass Transit Applications", Bakran, Eckel; IAS 2000 diskutiert worden.
  • Bisher wurde dieses Problem durch entsprechende Auslegung der Halbleiterbauelemente gelöst. Das heißt, es werden an Halbleitern die möglichen Temperaturwechsel ermittelt, die dieser Halbleiter aushält. Damit die Halbleiter viele Zyklen aushalten, werden entsprechende, gut zueinander passende Materialien gewählt. Während der Geräteauslegung wird die Ausnutzung des Halbleiters so festgelegt, dass die zulässige Temperaturwechselfestigkeit nicht überschritten wird. Dies ist jedoch teuer und kann die unerwünschten Alterungsprozesse von Halbleitern aufgrund häufiger Ausdehnungsbeanspruchung nicht gänzlich vermeiden.
  • Die vorliegende Erfindung hat daher zur Aufgabe, dass Problem der Temperaturwechsel grundlegend zu lösen und so die Lebensdauer von Halbleiterbauelementen positiv zu beeinflussen.
  • Gemäß der vorliegenden Erfindung wird diese Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes, wobei zur Vermeidung von Temperaturschwankungen die Temperatur des Halbleiterbauelementes bei geringer elektrischer Belastung aktiv so angehoben wird, dass das Temperaturniveau des Halbleiterbauelementes dem bei einer vergleichsweise hohen elektrischen Belastung im wesentlichen entspricht.
  • Auf diese Weise können Temperaturwechsel vermieden bzw. stark reduziert werden. Temperaturwechsel bei Geräten setzen sich grundsätzlich aus dem Wechsel der Umgebungstemperatur und dem Wechsel der Belastung zusammen. Der Wechsel der Umgebungstemperatur geschieht dabei selten und langsam und wird daher nicht weiter betrachtet. Der Wechsel der Temperatur durch die Belastung geschieht hingegen schnell (zum Beispiel beim Anfahren einer Maschine, dann Rollen und Bremsen und wieder Stillstand).
  • Um diese Folge der wechselnden Belastung zu vermeiden, wird vorgeschlagen, die Temperatur auf einen möglichst konstanten Wert zu regeln. Das heißt für den Fall geringerer Belastung des Halbleiters wird die Temperatur durch
    • a) verringerte Kühlung oder
    • b) erhöhte Verluste oder
    • c) Heizung
  • auf einem konstanten Wert gehalten.
  • Nach einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens nach der vorliegenden Erfindung erfolgt daher eine Anhebung des Temperaturniveaus bei geringer elektrischer Belastung durch künstliches Aufheizen des Halbleiterbauelementes.
  • Dabei hat es sich als besonders günstig erwiesen, wenn ein künstliches Aufheizen des Halbleiterbauelementes bei geringer elektrischer Belastung durch ein bewusstes Erzeugen von erhöhten Verlusten im Halbleiterbauelement abhängig von dessen elektrischem Belastungszustand erfolgt.
  • Eine Alternative im Rahmen der Erfindung besteht darin, dass eine Anhebung des Temperaturniveaus bei geringer elektrischer Belastung durch eine verringerte Kühlung des Halbleiterbauelementes erfolgt.
  • Ein wichtiges Einsatzgebiet der Erfindung besteht darin, wenn das Halbleiterbauelement integraler Bestandteil eines Stromrichters ist. Erfindungsgemäß werden elektrische Verluste in diesem Fall durch stetige Anpassung der Schaltfrequenz in etwa konstant den elektrischen Verlusten bei hoher elektrischer Belastung gehalten.
  • Besonders gut gelingt dies, wenn eine Schaltfrequenzanpassung in Abhängigkeit eines Laststromes des Stromrichters erfolgt.
  • Eine ebenfalls vorteilhafte Alternative besteht darin, dass eine Schaltfrequenzanpassung in Abhängigkeit von ermittelten jeweiligen Temperaturwerten des Stromrichters erfolgt.
  • Ein anderer Ansatz gemäß der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass bei geringer elektrischer Belastung die Kühlung reduziert wird und bei hoher elektrischer Belastung voll betrieben wird.
  • Daneben kann ein künstliches Aufheizen des Halbleiterbauelementes auch mit einer separaten Wärmequelle erfolgen.
  • Weiter hat es sich als günstig erwiesen, wenn eine Stabilisierung des Temperaturniveaus durch eine schnelle Regelung mit langsam nachgeführtem Sollwert, z. B. Temperatursollwert oder Schaltfrequenz eines Stromrichters, erfolgt.
  • Eine Stabilisierung des Temperaturniveaus kann aber ebenso vorteilhaft anhand einer mit einer lernfähigen Struktur generierten Kennlinie des Sollwertes, z. B. des Temperatursollwertes oder der Schaltfrequenz eines Stromrichters, in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung erfolgen.
  • Die Erfindung eignet sich besonders für Anordnungen, bei denen die Kühlung eine kleine Zeitkonstante aufweist. Hier liegen die größten Temperaturschwankungen vor und außerdem wird keine Leistungsfähigkeit eingebüßt, da ohnehin die maximale Leistung thermisch beherrscht werden muss.
  • Eine weitere Anwendung besteht darin, das konstante Temperaturniveau für konstante Bauelementeigenschaften auszunutzen, da sich diese immer abhängig von der Temperatur ändern.
  • Weitere Vorteile und Details der vorliegenden Erfindung ergeben sich anhand der folgenden Darstellungen und Ausführungsbeispiele sowie im Zusammenhang mit den Figuren. Dabei zeigen jeweils in Prinzipdarstellung:
  • Fig. 1 den Aufbau eines modernen Leistungshalbleiters,
  • Fig. 2 einen typischen Temperatur-Belastungsverlauf eines Halbleiterbauelementes in verschiedenen Zeitebenen und dessen Ursachen,
  • Fig. 3 eine Häufigkeitsverteilung der Temperaturwechsel pro Temperaturhub,
  • Fig. 4 die Grenze der maximalen Anzahl der Temperaturhübe für ein IGBT-Modul,
  • Fig. 5 ein Blockschaltbild einer möglichen Temperaturregelung eines Leistungshalbleiters eines Stromrichters gemäß der Erfindung,
  • Fig. 6 ein Blockschaltbild einer weiteren Temperaturregelung eines Leistungshalbleiters eines Stromrichters gemäß der Erfindung auf der Grundlage einer lernfähigen Struktur und
  • Fig. 7 ein Blockschaltbild einer weiteren Temperaturregelung eines Leistungshalbleiters eines Stromrichters gemäß der Erfindung mit Variation der Kühlung.
  • Der wesentliche Schritt der Erfindung liegt darin, entgegen der gewöhnlichen Dimensionierung, die Temperatur eines Halbleiters bei geringer Belastung künstlich anzuheben (bzw. eine starke Abkühlung zu verhindern), um das Problem der Temperaturwechselfestigkeit zu beherrschen.
  • Die Darstellung gemäß der Fig. 2 zeigt dazu einen typischen Temperatur-Belastungsverlauf eines Halbleiterbauelementes in verschiedenen Zeitebenen und dessen Ursachen. Es ist jeweils die Temperatur T über die Zeit aufgetragen, wobei drei verschiedene Zeitebenen übereinander gezeigt sind.
  • In der oberen Darstellung ist der Temperaturverlauf der Umgebungstemperatur über die 12 Monate mo eines Jahres aufgetragen. Die mittlere Darstellung zeigt einen Ausschnitt eines Tages anhand der Temperatur der Bodenplatte über 24 Stunden h. Die untere Darstellung schließlich zeigt einen Ausschnitt daraus über mehrere Minuten min. Die dabei auftretenden Temperaturschwankungen sind im wesentlichen durch eine wechselnde elektrische Belastung des Halbleiterbauelementes bedingt.
  • In Fig. 3 ist eine Häufigkeitsverteilung der Temperaturwechsel pro Temperaturhub gezeigt. Dazu ist die Anzahl der Temperaturwechsel über den Temperaturhub K aufgetragen. Dies ist einmal für die Bodenplatte 1 (schwarze Balken) und außerdem für die Sperrschichttemperatur des Halbleiters (helle Balken) gezeigt. Deutlich ist ein Maximum bei etwa einem Temperaturhub von 20 zu erkennen.
  • Die Fig. 4 zeigt dazu die Grenze der maximalen Anzahl der Temperaturhübe für ein IGBT-Modul, z. B. mit einem Aufbau nach Fig. 1. Wiederum sind zwei Verläufe aufgetragen, zum einen für die Bodenplatte, zum anderen für Sperrschicht des Halbleiters (gepunkteter Verlauf).
  • Im Folgenden werden drei grundsätzliche Lösungskonzepte im Rahmen der vorliegenden Erfindung dargestellt.
    • 1. "Elektrische" Lösung
  • Dies soll am Beispiel eines Stromrichters bzw. Frequenzumrichters mit Leistungshalbleitern als Stromventilen erfolgen. Der Aufbau solcher Stromrichter ist unter anderem aus Brosch, "Moderne Stromrichterantriebe", 1. Aufl., Vogel-Verlag, Würzburg, 1989 bekannt.
  • Abhängig vom Belastungszustand werden die Verluste im Halbleiter angepasst:
  • Dies geschieht zum Beispiel in einem Stromrichter durch eine Anpassung der Schaltfrequenz, d. h. bei geringerem Strom wird die Schaltfrequenz erhöht, um so die Verluste etwa konstant zu halten.
  • Diese Schaltfrequenzanpassung kann abhängig vom Laststrom erfolgen oder auch von einem Temperaturmodell gesteuert werden, das die Temperatur online berechnet und dann entsprechend die Verluste anpasst. Alternativ zur Berechnung kann auch mit einem Temperatursensor gearbeitet werden.
  • Die Regelung wird so aufgebaut, dass zu einer gegebenen Außentemperatur immer ein günstiges Temperaturniveau erzielt wird.
  • Anstelle einer Regelung kann natürlich auch ein gesteuerter Betrieb gefahren werden.
  • Es kann zur Regelung des Temperaturniveaus z. B. ein schneller Regler verwendet werden, der überlagert wird von einem langsam nachgeführten Sollwert.
  • Eine solche Anordnung ist als Blockschaltbild in der Fig. 5 gezeigt. An ein Netz 10 ist der Stromrichter 11 angeschlossen, an dem eine Last 12, z. B. ein elektrischer Antrieb, betrieben wird. Über eine Steuerung 13, z. B. eine numerische Steuerung einer Werkzeugmaschine, wird der Stromrichter 11 mit den Leistungshalbleiterschaltern angesteuert.
  • Die Steuerung 13 liefert die aktuelle Bauelement-Temperatur 15 an einen übergeordneten Regler 14. Letzterer regelt auf eine konstante Bauelement-Temperatur als Sollwert und liefert eine entsprechende Schaltfrequenz 16 bzw. fs an die Steuerung 13 des Stromrichters 11, mit der die elektrischen Verluste in den Leistungshalbleiterschaltern beeinflusst werden.
  • Alternativ kann anstelle des Reglers 14 auch eine lernfähige Struktur eingesetzt werden, die lernt, welche Schaltfrequenz fs zu welchem Belastungszustand B gehört, um gleichmäßige Verluste zu gewährleisten. Dies kann ein neuronales Netz oder ein anderes Mittel zur automatischen Mustererkennung sein. Eine solche lernfähige Struktur kann z. B. anhand der Erfahrungswerte aus Fig. 2 bis Fig. 4 trainiert und dimensioniert werden, um eine entsprechende Kennlinie zu generieren. Eine Steuerung 17 liefert dann anhand der Kennlinie zu eingehenden elektrischen Belastungszuständen 20 bzw. B (z. B. in Abhängigkeit des Laststromes des Stromrichters) entsprechende Schaltfrequenzen fs an die numerische Steuerung 13.
    • 2. Hydraulische Lösung
  • Bei einer Kühlung mit einem flüssigen Kühlmedium (z. B. Wasser) kann diese Regelung auf konstantes Temperaturniveau auch durch Anpassung der Kühlung erfolgen. Eine entsprechende Anordnung ist in der Fig. 7 gezeigt, die im wesentlichen dem Stromrichteraufbau der Fig. 5 und 6 entspricht. Jedoch ist der Steuerung 13 nun eine Regelung 18 übergeordnet, die den Zufluss des Kühlmediums über einen entsprechenden Kühlkreislauf 19 mit Pumpen und/oder Ventilen beeinflusst.
  • Dazu wird bei geringeren Lastzuständen die Kühlung reduziert und bei hoher Last wieder voll betrieben. Dieses Prinzip lässt sich prinzipiell auch bei Kühlung mit forcierter Luft oder anderen Kühlmedien anwenden.
    • 3. Heizung
  • Eine andere Möglichkeit zur Vergleichmäßigung der Temperatur ist die Heizung des Halbleiters oder des Kühlmediums mittels einer zusätzlichen Wärmequelle. Als Wärmequellen sind beliebige Ausführungsmöglichkeiten vorstellbar.

Claims (12)

1. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes, wobei zur Vermeidung von Temperaturschwankungen die Temperatur des Halbleiterbauelementes bei geringer elektrischer Belastung aktiv so angehoben wird, dass das Temperaturniveau des Halbleiterbauelementes dem bei einer vergleichsweise hohen elektrischen Belastung im wesentlichen entspricht.
2. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, wobei eine Anhebung des Temperaturniveaus bei geringer elektrischer Belastung durch künstliches Aufheizen des Halbleiterbauelementes erfolgt.
3. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 2, wobei ein künstliches Aufheizen des Halbleiterbauelementes bei geringer elektrischer Belastung durch ein bewusstes Erzeugen von erhöhten Verlusten im Halbleiterbauelement abhängig von dessen elektrischem Belastungszustand (B) erfolgt.
4. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 1, wobei eine Anhebung des Temperaturniveaus bei geringer elektrischer Belastung durch eine verringerte Kühlung (19) des Halbleiterbauelementes erfolgt.
5. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 3, wobei das Halbleiterbauelement integraler Bestandteil eines Stromrichters (11) ist und dessen elektrische Verluste durch stetige Anpassung der Schaltfrequenz (fs, 16) in etwa konstant den elektrischen Verlusten bei hoher elektrischer Belastung (B, 20) gehalten werden.
6. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 5, wobei eine Schaltfrequenzanpassung in Abhängigkeit eines Laststromes des Stromrichters (11) erfolgt.
7. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 5, wobei eine Schaltfrequenzanpassung in Abhängigkeit von ermittelten jeweiligen Temperaturwerten des Stromrichters (11) erfolgt.
8. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 4, wobei bei geringer elektrischer Belastung (B, 20) die Kühlung (19) reduziert wird und bei hoher elektrischer Belastung voll betrieben wird.
9. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach Anspruch 3, wobei ein künstliches Aufheizen des Halbleiterbauelementes mit einer separaten Wärmequelle erfolgt.
10. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei eine Stabilisierung des Temperaturniveaus durch eine schnelle Regelung (14) mit langsam nachgeführtem Sollwert erfolgt.
11. Verfahren zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche 1 bis 9, wobei eine Stabilisierung des Temperaturniveaus anhand einer mit einer lernfähigen Struktur (17) generierten Kennlinie des Sollwertes in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung (B, 20) erfolgt.
12. Verwendung eines Verfahrens zum Betrieb eines Halbleiterbauelementes nach einem der vorangehenden Ansprüche zur Erzielung von konstanten Bauelementeigenschaften eines Halbleiterbauelementes, insbesondere eines Leistungshalbleiters.
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