Transiente elektrisch-thermisch-mechanische FEM-Simulationen zur Zuverlässigkeitsbewertung von Leistungselektronikmodulen in Leiterplattentechnik für Automotive-Anwendungen

Abstract:
In der heutigen Automobilindustrie werden zunehmend mechanische Funktionen elektronisch gesteuert. Dieser Trend wird einerseits durch die Entwicklungen im Bereich der Elektromobilität verstärkt und andererseits mit der immer stärker zunehmenden Entwicklung kompakter, leistungsfähiger und zugleich zuverlässiger Automotive-Elektronik im Fahrzeug begleitet.Jedoch stellt der Einsatz für höhere elektrische Leistungsklassen eine Herausforderung bei der Entwicklung zuverlässiger elektronischer Baugruppen dar. Durch die Verarbeitung und Übertragung hoher Ströme, kommt es zur beträchtlichen lokalen Erwärmung der Leistungsbauelemente. Schließlich ist die resultierende zeitliche und örtliche Entwicklung von Temperaturgradienten maßgebend für die Zuverlässigkeit der Aufbau- und Verbindungstechnik eines Elektronikmoduls im Betrieb. In der vorliegenden Arbeit wurde eine FE-Simulationsmethodik mit gekoppelten elektrisch-thermisch-mechanischen Physikdomänen mit Hilfe der FEM-Software von ANSYS erarbeitet und durch experimentelle Untersuchungen validiert. Das Ziel ist es, die Zeit zum Ausfallsbeginn in einem Hochleistungsmoduls im beschleunigten Labortest und später im Betrieb berechnen zu können. Dafür werden Geometrie- und Materialmodellierungsansätze bis hin zur Abbildung von elektrischer und thermischer Randbedingungen eingesetzt. Ein wesentlicher Bestandteil der FEM-Simulationsmethodik beinhaltet einen Algorithmus zur Berechnung der zeit- und temperaturabhängigen Verlustleistung des verwendeten Power-MOSFETs. Der Vergleich zwischen der berechneten transienten thermischen Entwicklung und der experimentell ermittelten Temperaturentwicklung im Power Cycling Test zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Weiterhin, ermöglicht die hier erarbeitete Simulationsmethodik die Berechnung thermomechanischer Eigenschaften reeller Leistungsmodule unter der Angabe von spezifischen elektrischen Ansteuerungsprofilen. Die gewonnenen Erkenntnisse bilden die Basis für eine erweiterte FEM-unterstützte pro-aktive Lebensdauervorhersage von Hochleistungselektronikmodulen der Automobilelektronik.