Ultraschallmikroskop (Scanning Acoustic Microscope)
Final Report Abstract
In die Endphase des BMBF Projektes „HIT-Modul“ fiel die Anschaffung des Ultraschallmikroskops. Im Rahmen des Projektes wurde eine große Zahl von Ultraschallaufnahmen gemacht. Diese dienten zur Verifikation und Überprüfung der erzielten Ergebnisse. Zur Veröffentlichung kamen im Abschlussbericht allerdings noch keine selbst gemachten Aufnahmen sondern professionell erstellte Ultraschallaufnahmen des verantwortlichen Projektpartners, da dieser Partner über langjährige Erfahrung im Bereich von Ultraschallaufnahmen verfügt. Das Projekt „HIT-Modul“ wurde somit genutzt, um erste Erfahrungen im Umgang mit dem neu angeschafften Gerät zu sammeln und mehrere Mitarbeiter im Umgang mit dem Ultraschallmikroskop vertraut zu machen. Im DFG Projekt „Zuverlässige Lötverbindungen für die Leistungselektronik in regenerativen Energiesystemen“ bestand das Ziel, die Schaffung eines FEM-basierten physiknahen Modells für aktive Tests zur Lebensdauerabschätzung von Leistungsmodulen (IGBT-Insulated Gate Bipolar Transistor), welches reale Einsatzprofile berücksichtigt und dadurch eine bessere Anpassung an das tatsächliche Verhalten der Bauelemente darstellt. Damit kann die Lebensdauerabschätzung erheblich präzisiert werden. Nach einer Optimierung der Lötverfahren durch den Projektpartner kamen verschiedene Analyseverfahren zur Bestimmung der mechanischen Eigenschaften der Lötverbindung zum Einsatz. Ein wesentlicher Analyseteil innerhalb des Projekts war die Ausfallanalyse nach Lastwechseltest mithilfe von Ultraschalluntersuchungen. In zahllosen Untersuchungen an einer Vielzahl von Prüflingen wurden nach festgelegten Prüfintervallen Ultraschallbilder aufgenommen, die dann die fortschreitende Lotzerrüttung in Korrelation zum Anstieg des thermischen Widerstandes nachwies. Die Ergebnisse dieser Untersuchungen flossen dann in die Modellbildung ein, die als wesentlicher Schwerpunkt des Projektes diente. Dieses Modell war in der Lage, das experimentell ermittelte Verhalten nachzubilden. Im vom Norwegian Research Council geförderten Projekt “Reliability and ruggedness of high power high voltage power electronics (ReliPE)” wurden und werden eine Vielzahl von Ultraschallaufnahmen zur Fehleranalyse der in Zuverlässigkeitstests untersuchten Bauteile durchgeführt. Im ECPE Projekt “Power Cycling with switching losses” wurde das Auftreten von neuen Ausfallmechanismen durch die Verwendung dieser Testmethode untersucht. Wesentliche Erkenntnisse der Ausfallbeschleunigung wurden durch Ultraschalluntersuchungen festgestellt. Erste Ergebnisse dieses Projekts wurden auf dem Halbleiterkolloquium Freiburg 2016 vorgestellt. Zur Konferenz PCIM 2017 wurde ein Paper zur Untersuchung der Restlebensdauer von leistungselektronischen Bauelementen veröffentlicht. Teil der Untersuchung war die Bewertung der Substratlötung von Modulen in Schienenfahrzeugen. Für die dazu erforderlichen Untersuchungen kam das Ultraschallmikroskop zum Einsatz.
Publications
- Mechanische Charakterisierung der Lötverbindungen von Leistungsmodulen als Basis für die Lebensdauerabschätzung mittels FEM; DVS-Band 301, 2014, S. 99-103. ISBN 978-3-87155-573-2
J. Lutz, P. Steinhorst, T. Poller, B. Wielage, T. Lampke, S. Weis, D. Nickel, A. Yulinova, V. Fedorov
- Porenausbildung in großflächigen Weichlötverbindungen am Beispiel von Leistungsmodulen; Werkstoffe und werkstofftechnische Anwendungen 52, 2014. ISBN 978-3-00-046877-3
B. Wielage, S. Weis, V. Fedorov, J. Lutz, L. Tinschert
- Power cycling capability of Modules with SiC-Diodes; CIPS 2014; 8th International Conference on Integrated Power Electronics Systems. ISBN 978-3-8007-3578-5
Ch. Herold; M. Schaefer; F. Sauerland; T. Poller; J. Lutz; O. Schilling
- Work on a simulation-based model for lifetime estimation in power cycling tests; V. Benda, J. Lutz, M. Molhanec (Hrsg.) 12th International Seminar on Power Semiconductors ISPS, 27.-29. August, Prague, Ceske centrum IET, 2014. ISBN 9788001055557
P. Steinhorst, V. Fedorov, J. Lutz, S. Weis, B. Wielage
- Methods for virtual junction temperature measurement respecting internal semiconductor processes; Proceedings of the 27th International Symposium on Power Semiconductor Devices & IC's, Kowloon Shangri-La, Hong Kong, May 10- 14, 2015 Electronic ISBN: 978-1-4799-6261-7
C. Herold, J. Franke, R. Bhojani, A. Schleicher, J. Lutz
(See online at https://doi.org/10.1109/ISPSD.2015.7123455) - High-Current Power Cycling Test-Bench for Short Load Pulse Duration and First Results PCIM Europe 2016; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. Print ISBN: 978-3-8007-4186-1
Guang Zeng ; Christian Herold ; Menia Beier- Moebius ; Sascha Kubera ; Rodrigo Alvarez ; Josef Lutz
- Determination of State-of-Health and Remaining Lifetime of Power Modules, PCIM Europe 2017; International Exhibition and Conference for Power Electronics, Intelligent Motion, Renewable Energy and Energy Management. Print ISBN: 978-3-8007-4424-49
Jörg Franke ; Christian Herold ; Lukas Tinschert ; Josef Lutz
