Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist ein Leistungshalbleiter mit drei Anschlüssen, der hauptsächlich als elektronischer Schalter verwendet wird und eine hohe Effizienz und schnelles Schalten kombiniert. Er schaltet den Strom in vielen modernen Geräten: frequenzvariable Antriebe (VFDs), Elektroautos, Züge, drehzahlvariable Kühlschränke, Windturbinen, Lampenvorschaltgeräte, Klimaanlagen, Reiskocher und sogar Stereoanlagen mit Schaltverstärkern.

Diese Geräte sind hochkomplex, teuer und stellen enorme Anforderungen an ihre Bauteile. Die meisten Ausfälle von IGBT-Einheiten in der Praxis lassen sich auf zu hohe interne Temperaturen und/oder thermische Belastungen zurückführen. Es ist erwiesen und anerkannt, dass die Lunkerbildung an kritischen Schnittstellen der Hauptfaktor für diese Ausfälle ist.

Ein Bipolartransistor mit isoliertem Gate (IGBT) ist ein Leistungshalbleiter mit drei Anschlüssen, der hauptsächlich als elektronischer Schalter verwendet wird und eine hohe Effizienz und schnelles Schalten kombiniert. Er schaltet den Strom in vielen modernen Geräten: frequenzvariable Antriebe (VFDs), Elektroautos, Züge, drehzahlvariable Kühlschränke, Windturbinen, Lampenvorschaltgeräte, Klimaanlagen, Reiskocher und sogar Stereoanlagen mit Schaltverstärkern.

Wir werden die Röntgentechnologie als zerstörungsfreie und nicht schädigende Prüfmethode während und unmittelbar nach der Produktion untersuchen. Ziel ist es, den Prozess durch die Verringerung der Lunkerbildung zu verbessern, was die langfristige Zuverlässigkeit dieser oft teuer zu ersetzenden Teile erhöht. Dabei geht es nicht nur um die Stückkosten, sondern auch um den Standort und die Kosten, die anfallen, bis die Einheit ersetzt werden kann. Diese Einheiten befinden sich oft in abgelegenen oder kritischen Situationen, und ein Ausfall verursacht enorme Kosten und Garantieprobleme.

Haushaltsgeräte benötigen zunehmend umrichterbasierte Motorantriebe, die mehr Leistung, Komfort und Effizienz bieten: alles "Muss" für hochwertige Produkte. Die Verbraucher nutzen auch fortschrittlichere Haushaltslösungen, wie z. B. Induktionsplatten für Reiskocher. Diese neuen Anwendungen werden zum Wachstum der IGBTs bei Verbraucheranwendungen beitragen, aber den Preisdruck auf den Produktionszyklus erhöhen. Die Verringerung der Lückenbildung ist für den anhaltenden Erfolg dieser Technologie von entscheidender Bedeutung.

Der Zweck des schichtweisen Aufbaus des IGBT-Moduls besteht darin, einen effizienten Weg mit geringem Wärmewiderstand von den Schaltkreisen auf dem Chip zur Unterseite des Kühlkörpers zu schaffen, von wo aus die Wärme abgeleitet wird. Einschließlich des Chips durchläuft die Wärme in diesem typischen Design fünf Materialschichten. Das Keramiksubstrat und der Kühlkörper werden zum Teil wegen ihres geringen Widerstands gegen die Ausbreitung der Wärmeenergie ausgewählt, ebenso wie die thermischen Schnittstellenmaterialien (TIMs).

Wie aus der obigen Abbildung ersichtlich ist, gibt es in diesen Baugruppen viele ungleiche Materialien und belastete Verbindungen, und wenn man dann noch Hohlräume hinzufügt, hat man ein Rezept für viele Ausfälle. Die meisten dieser Ausfälle passieren in der Praxis.

Wenig thermische Energie durchquert einen Spalt (Hohlraum). Stattdessen wird sie zurück zum Chip umgeleitet. In lückenlosen Bereichen setzen sich Wärmeleitung und Strahlung über die Materialzwischenflächen fort, bis die Wärme am Boden des Kühlkörpers vom Modul weggeleitet wird. Je größer die kollektive x-y-Fläche der Lücken ist, desto mehr Wärmeenergie wird zum Chip zurückgeführt, und desto höher ist das Risiko eines IGBT-Ausfalls. Die folgende Abbildung zeigt dies sehr deutlich:

Einige Unternehmen haben zur Vorhersage von Ausfällen auf Modellierung zurückgegriffen, aber Hohlraumbildung kann in diesen Gleichungen nicht einfach berücksichtigt werden, da sie keine Konstante ist, so dass diese Methode nicht zufriedenstellend ist. Herkömmliche Röntgenaufnahmen können diese Fehlstellen aufgrund der zahlreichen thermischen Schnittstellen und der sehr dicken Kupferkühlkörper von IGBT-Baugruppen nur schwer darstellen, wie das folgende Bild zeigt.

Darüber hinaus kann ein 3D-Modell des Geräts oder eines Teils davon einfach und schnell nachgebaut und zur Untersuchung von Schlüsselbereichen durchgeschnitten werden.

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"Fehlermechanismen in IGBTs im Zusammenhang mit Voiding"