DE10237112C5

DE10237112C5 - Verfahren zur Überwachung einer Lötstrecke auf thermische Integrität

Info

Publication number: DE10237112C5
Application number: DE10237112A
Authority: DE
Original assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Current assignee: Danfoss Silicon Power GmbH
Priority date: 2002-08-10
Filing date: 2002-08-10
Publication date: 2009-10-29
Anticipated expiration: 2022-08-11
Also published as: DE10237112A1; DE10237112B4

Abstract

Verfahren zur Überwachung einer Lötstrecke auf Rissbildung an einem Leistungsmodul mit einer Mehrzahl von Transistoren mit den Schritten:
– kurzzeitiges Erwärmen wenigstens eines Teilbereiches der zu untersuchenden Schichtfolge mit einem der Transistoren als Heizquelle und
– Überwachen der sich einstellenden Temperatur dieses Bereiches, nach Beendigung des kurzzeitigen Erwärmens während des Abklingens der Temperatur anhand der sich verändernden Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors,
gekennzeichnet durch die Schritte:
– Erwärmen jeweils eines in Eckbereichen der Lötung des Leistungsmoduls vorgesehenen Transistors, wobei der jeweilige Transistor den Heizstrom regelt,
– wobei das Überwachen jeweils des erwärmten kritischen Eckbereichs mit dem zur Erwärmung genutzten Transistor erfolgt,
– Vergleichen der unterschiedlich lang andauernden Abkühlungsdauer mit einer vorgegebene Zeitdauer, wobei bei Überschreiten einer vorgegebene Zeitdauer auf Rissbildung in den Teilbereichen der Lötstrecke geschlossen wird, und
– weitere Aufheizung der Bereiche, in denen Rissbildung erkannt wurde, bis zu einer Aufheizung, bei der das...

Description

Die Erfindung betrifft Verfahren zum Überwachen einer Lötstrecke auf thermische Integrität insbesondere einer Wärmeübertragungsstrecke zu einer Wärmesenke.
Lötstrecken bei denen die thermische Integrität wichtig ist finden sich zum Beispiel in elektronischen Leistungsmodulen, die meist auf Bodenplatten aufgelötet werden, die als Wärmesenken dienen. Dabei befinden sich auf vergleichsweise dicken als Wärmesenken dienenden Kupferplatten aufgelötete Keramiksubstrate, auf denen sich wiederum die Leistungshalbleiterbauelemente befinden.
Die Keramiksubstrate werden meist mit Kupferleitflächen hergestellt, die das Verlöten auf den Wärmesenken erlauben. Bei einer solchen Lötverbindung zwischen zwei starren flachen Bauelementen größeren Ausmaßes stellen sich aber durch die unterschiedlichen Materialien mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten bei der erheblichen Erhitzung der Leistungshalbleiterbauelemente bis zu max. ca. 200°Celsius ganz erhebliche thermische Spannungen ein, die in den vergleichsweise starren Lötverbindungen nur unzureichend abgebaut werden können, so daß sich eine Rißbildung in der Lötung ergibt.
Insbesondere wenn berücksichtigt wird, daß in typischen Anwendungen – wie elektromotorischen Antrieben für Fahrzeuge, Antriebe oder in Luft- und Raumfahrt-Anforderungen bestehen, wie, daß beispielsweise Elektrobusse 750.000 km ohne Ausfall der Leistungselektronik zurücklegen müssen, bedeutet dies, daß bis zu mehreren Millionen Temperaturwechselzyklen unbeschadet überstanden werden müssen, davon wenigstens mehrere tausend unter ganz erheblichen Temperaturdifferenzen (Winterbedingungen), ohne daß es zu einem Ausfall der Wärmeabführstrecke, d. h. einer Rißbildung in der Lötung kommen darf.
Ohne gute Wärmeabfuhr zerstört sich ein Leistungselektronikbauteil aufgrund der hohen Verlustwärme sehr schnell. Ein Ausfall der Leistungshalbleiter würde aber den gesamten Elektroantrieb unbrauchbar machen.
Als Stand der Technik sind die DE 38 32 273 A1 , die DE 197 23 080 A1 und die EP 0 657 743 A2 zu nennen, die Verfahren zum Bestimmen des Wärmewiderstands mit separaten Belastungsstromkreisen und Meßstromkreisen und mehreren Impulsen beschreiben.
Die Erfindung hat sich nun zur Aufgabe gestellt, die Integrität der Lötverbindungen mit minimalem apparativen Aufwand derart zu überwachen, daß eine Lebensdauervorhersage ermöglicht wird, ein Benutzer also rechtzeitig vor einem baldigen Versagen der Leistungselektronik gewarnt werden kann.
Gelöst wird dies durch die Merkmale der beiden, nebengeordneten Hauptansprüche. Die Alternativen beruhen auf dem Grundgedanken, daß nach einem kurzzeitigen Aufheizen, beispielsweise eines Randbereiches des Leistungshalblei termoduls, die Temperatur erfaßt wird und festgestellt wird, mit welcher Rate die aufgebrachte Heizleistung zur Wärmesenke hin abgeführt wird.
Sobald eine ursprünglich erreichte Rate plötzlich nicht mehr erreicht wird, ist davon auszugehen, daß eine Rißbildung im Randbereich eingesetzt hat und nunmehr das Leistungshalbleitermodul in der nächsten Zeit auszutauschen ist, um ein Versagen zu vermeiden.
Gleichzeitig kann die Aufheizung im Randbereich kurzzeitig derart stark betrieben werden, daß das Lot, das dazu neigt, sich durch die vielen mechanischen Bewegungen zu verspröden, wieder duktiler gemacht wird, so daß das Lot weitere mechanische Beanspruchungen besser aufnehmen kann. Dieser Effekt ist eine erwünschte Nebenwirkung, die dazu führt, in besonders kritischen Anwendungen in mehreren Bereichen des Leistungsmoduls Transistoren anzuordnen.
Die kritische Rißbildung kann im Labormaßstab zwar durch mikroskopische Betrachtung ermittelt werden, während des Einsatzes war dies bisher nicht möglich.
Die Erfindung hat nunmehr erkannt, daß durch Einsatz einer Wärmequelle und eines Temperatursensors, also z. B. des Leistungstransistors bevorzugt in den Bereichen des Substrates, in denen mit den größten mechanischen Spannungen zu rechnen ist, also insbesondere in Eckbereichen schon vor dem Entstehen von Ermüdungsrissen kurzzeitige Aufheizvorgänge im Durchlaßbetrieb des Transistors durchgeführt werden können, und durch Abgreifen der Kollektor-Emitterspannung desselben Leistungstransistors unter Nutzung der Temperaturabhängigkeit der anliegenden Spannung der Temperaturverlauf (Aufheizen, Maximaltemperatur, Abkühlen) erfaßbar wird, und so die thermische Integrität der darunterliegenden Struktur beobachtet werden kann.
Als Wärmequelle kann z. B. auch ein Widerstand dienen, dessen Temperaturabhängigkeit zur Temperaturmessung ausgenutzt werden kann. Auch ein getrennter Temperatursensor kann eingesetzt werden. Da ein Transistor hier als universelles Bauelement eingesetzt werden kann, sind folgende Beispiele darauf bezogen.
Ein Ermüdungsriß läßt die thermische Leitfähigkeit des darunterliegenden Materialstapels drastisch sinken, so daß die Temperatur stärker ansteigt, als bei intakter Lötverbindung. Diese Aufheizvorgänge, die mit einigen Watt Verlustleistung durchgeführt werden können, können auch während des Betriebs der übrigen Leistungshalbleiterelektronik durchgeführt werden.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung. Dabei zeigt:
1 einen schematischen Schichtaufbau eines Leistungselektronikmoduls,
2 eine skizzenhafte Darstellung des Schaltplanes des Leistungstransistors,
3 das allgemeine Verhalten einer beliebigen Heizung bei einem Leistungspuls,
4 eine schematische Darstellung der Strom- und Spannungs-Verhältnisse nach dem Aufheizen über der Kollektor-Emitter-Strecke des Leistungstransitors, und
5 eine Darstellung der Verhältnisse bei Messung der Aufheizzeit bzw. Aufheizkurve bis zu einer kritischen Temperatur.
Die in der 1 dargestellte Schichtung aus einer Kupferbodenplatte 10 mit beispielsweise einem thermischen Ausdehnungskoeffizienten von 17 ppm/K ist mit einem Substrat, d. h. einer Keramikleiterplatte 12 mit Kupferleitflächen 14 durch eine Lötung 16 verbunden. Eine weitere Lötung 16 verbindet die Keramikleiterplatte 12 mit dem Leistungshalbleiter 18.
Während Aluminiumoxid/Kupfer-Substrate typische Ausdehnungskoeffizienten von 6–7 ppm/K aufweisen, ist das relative Verhältnis bei der Verwendung von Aluminiumnitrid/Kupfer-Substraten, die typischerweise den Koeffizienten von lediglich 4–5 ppm/K aufweisen, deutlich anders.
Das Lotmaterial weist dabei typischerweise einen Ausdehnungskoeffizienten von 26 ppm/K auf, so daß es sich beim Erwärmen erheblich ausdehnt. Bei einer dicken Lotschicht sind die Belastungen geringer, und es ist zum Teil auch ein Zuwachs in der Höhe möglich. Spannungen können über größere Strecken abgebaut werden.
Dennoch ergeben sich die in der 1 im Bereich A typisch dargestellten schrägen Kriechübergänge, die sich durch die mehrfachen Ausdehnungs- und Kontraktionszyklen bilden. Dabei wird zu berücksichtigen sein, daß die aufgelöteten Bauteile stets kleiner als die Grundlage sind.
Mit Bezugszeichen 18 ist das Halbleiterbauteil dargestellt, das die erheblichen Ströme verarbeitet und das – damit es sich dabei nicht so stark erhitzt – die Verlustleistung möglichst schnell in eine Wärmesenke ableiten muß.
Mit Bezugszeichen ”B” ist ein besonders für die Anordnung des Leistungstransistors im u. U. integrierten Halbleiterbauteil geeigneter Bereich, nämlich oberhalb eines gefährdeten Bereiches in der Lötung 16, dargestellt.
Das Verfahren zum Betreiben des Leistungstransistors, der bevorzugt in dem elektronischen Bauteil 18 integriert ist, weist eine Mehrzahl von Alternativen auf. Zunächst kann der Leistungstransistor in regelmäßigen Intervallen mit einem Strom in Durchlaßrichtung betrieben werden, um lokal eine nennenswerte Aufheizung zu erreichen. Anschließend wird dann unter einem geringen Meßstrom seine Kollektor-Emitterspannung gemessen, deren Temperaturabhängigkeit das Abklingen der Transistortemperatur beschreibt.
Bei intakter thermischer Struktur von Substrat, Lötung und Bodenplatte erfolgt ein Abkühlen in vergleichsweise kurzer Zeit und ist im wesentlichen durch die Materialeigenschaften der eingesetzten Schichtmaterialien bestimmt, also für einen Transistor konstant.
Erst ein Ermüdungsriß läßt die thermische Leitfähigkeit der Materialstapel drastisch sinken, so daß die überwachte Kollektor-Emitterspannung ein nur geringes Ansteigen anzeigt.
Ein solches zusätzlich bewirktes Aufheizen kann auch während des Betriebs, bevorzugt jedoch vor und während jedes Startvorgangs, beispielsweise eines Kraftfahrzeuges, erfolgen.
Die Qualität der thermischen Strecke läßt sich zudem auch in einem etwas anderen Verfahren überprüfen, wobei stets eine konstante Kollektor-Emitterspannung aufgebaut wird, und der nun als Funktion der Temperaturnachführung notwendige Strom hierzu überwacht wird.
Es kann als weitere Alternative auch eine Überwachung der Zeit stattfinden, die benötigt wird, bis sich die Kollektor-Emitterspannung erheblich erhöht. Bei einem intakten Substrat, bei dem die Wärme abgeleitet wird, wird sich ein langer Zeitraum einstellen, während bei einer defekten Wärmeleitstrecke die Zeit verkürzt ist, also ein schnelles Aufheizen stattfindet.
In der 2 sind die Bauteile eindurchschaltbarer Transistor 20 und eine über die Kollektor-Emitterstrecke des Transistors 20 geschaltete Spannungsmeßeinrichtung 22 schematisch dargestellt. Als weitere Stromquelle ist der Stromregler dargestellt. Ein Schalter 24 schaltet den Strom.
Ein Regler (nicht dargestellt) sollte wiederum bevorzugt zur konstanten Versorgung des Transistors 20 mit Strom dienen. Dabei kann der Transistor sowohl als Heizquelle wie auch gleizeitig Regler für den Heizstrom sein, so daß keine externe Verlustwärme entsteht, die sonst u. U. noch zu berücksichtigen wäre.
Das Verfahren zur Überwachung einer Lötstrecke auf thermische Integrität an einem Leistungsmodul wird weiter in der 3 zunächst am allgemeinen Verhalten einer Heizung, die einem Leistungspuls in der schraffiert angedeuteten Zeitspanne ausgesetzt ist, dargestellt. Bei guter Wärmeübertragung ist die Temperatur am Ende des Pulses geringer als bei schlechter Wärmeübertragungsstrecke. Danach setzt Abkühlung ein.
Damit kann ein Verfahren vorgeschlagen werden, durch Erwärmen wenigstens eines Teilbereiches der zu untersuchenden Schichtfolge und Überwachung der sich einstellenden Temperatur dieses Bereiches vorzugsweise mit einem separaten Thermoelement, bei Überschreiten einer vorgegebenen Temperatur die thermische Integrität der Lötstrecke als nicht gegeben anzusehen.
Die unterschiedlich lang andauernde Abkühlung erlaubt es, ein Verfahren durchzuführen, bei dem nach Beendigung eines kurzzeitigen Erwärmens das Abklingen der Temperatur anhand der sich verändernden Kollektor-Emitterspannung gemessen wird, wobei bei Überschreiten einer vorgegebenen Zeitdauer die thermische Integrität der Lötstrecke nicht gegeben ist.
4 zeigt nun die Strom- und Spannungs-Verhältnisse vor und nach dem Leistungspuls. Die Spannung ist die Kollektor-Emitter Spannung U_CE. Bei guter Wärmeableitung (nur T1 wird in 1 erreicht) ist die Spannung U_CE nach dem Leistungsimpuls wegen geringerer Aufheizung nicht so niedrig, wie in dem Fall, in dem eine höhere Temperatur T2 erreicht wird.
5 zeigt nun wie bei Verlängerung der Aufheizzeit die Spannung abfällt, so daß bei schlechter Wärmeübertragungstrecke eine vorbestimmbare Abschaltschwelle schneller (in der Zeit t₁) erreicht wird, als bei guter Wärmeableitung, wo die Spannung U_CE bis zur Zeit t₂ nicht unter die Abschaltschwelle fällt.
Neben dem Erreichen des Mindestspannungswertes U_CE kann auch das Erreichen eines vorbestimmten Temperaturwertes beim Erwärmen erfaßt werden und die Zeitdauer bis zum Erreichen des Temperaturwertes mit einer vorbestimmten Zeitdauer verglichen werden, wobei bei Nichterreichen einer vorgegebenen Zeitdauer die thermische Integrität der Lötverbindung nicht gegeben ist (t₁ < t₂). In 5 wird angenommen, daß der Strom während der Aufheizzeit von t₀ bis t₂ konstant bleibt.
Es kann auch das Erwärmen bis zum Erreichen einer vorbestimmten Kollektor-Emittermindestspannung durchgeführt werden und beim Erreichen dieser die hierzu notwendige Zeit und/oder der hierbei notwendige Strom mit einem vorbestimmten Vergleichswert verglichen werden, wobei bei einem Nichterreichen der vorgegebenen Temperatur mit der vorbestimmten Spannung und/oder des notwendigen Stroms die thermische Integrität der Lötverbindung im signifikant gewählten Bereich gewährleistet ist.

Claims

Verfahren zur Überwachung einer Lötstrecke auf Rissbildung an einem Leistungsmodul mit einer Mehrzahl von Transistoren mit den Schritten: – kurzzeitiges Erwärmen wenigstens eines Teilbereiches der zu untersuchenden Schichtfolge mit einem der Transistoren als Heizquelle und – Überwachen der sich einstellenden Temperatur dieses Bereiches, nach Beendigung des kurzzeitigen Erwärmens während des Abklingens der Temperatur anhand der sich verändernden Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors, gekennzeichnet durch die Schritte: – Erwärmen jeweils eines in Eckbereichen der Lötung des Leistungsmoduls vorgesehenen Transistors, wobei der jeweilige Transistor den Heizstrom regelt, – wobei das Überwachen jeweils des erwärmten kritischen Eckbereichs mit dem zur Erwärmung genutzten Transistor erfolgt, – Vergleichen der unterschiedlich lang andauernden Abkühlungsdauer mit einer vorgegebene Zeitdauer, wobei bei Überschreiten einer vorgegebene Zeitdauer auf Rissbildung in den Teilbereichen der Lötstrecke geschlossen wird, und – weitere Aufheizung der Bereiche, in denen Rissbildung erkannt wurde, bis zu einer Aufheizung, bei der das Lot wieder duktiler wird.
Verfahren zur Überwachung einer Lötstrecke auf Rissbildung an einem Leistungsmodul mit einer Mehrzahl von Transistoren, mit – kurzzeitigem Erwärmen wenigstens eines Teilbereiches der zu untersuchenden Schichtfolge mit einem der Transistoren als Heizquelle, gekennzeichnet durch – Erwärmen jeweils eines in Eckbereichen der Lötung des Leistungsmoduls vorgesehenen Transistors, wobei der jeweilige Transistor den Heizstrom regelt, – Überwachen der sich einstellenden Temperatur dieses Bereiches anhand der sich verändernden Kollektor-Emitter-Spannung des Transistors, wobei das Erreichen eines vorbestimmten Temperaturwertes T₂ beim Erwärmen erfasst wird, – wobei das Überwachen jeweils des erwärmten kritischen Eckbereichs mit dem zur Erwärmung genutzten Transistor erfolgt, und – Vergleichen der Zeitdauer t₁ bis zum Erreichen des Temperaturwertes T₂ mit einer vorbestimmten Zeitdauer t₂, wobei bei Nichterreichen der vorgegebenen Zeitdauer (t₁ < t₂) die thermische Integrität der Lötverbindung nicht gegeben ist.