RTP-Baustein

Der RTP-Baustein schützt vor Schäden durch thermische Instabilität, die durch ausgefallene FETs, Kondensatoren, integrierte Schaltungen, Widerstände und andere Komponenten verursacht werden, die Risse bilden oder korrodieren können. Die thermische Empfindlichkeit des Bausteins ist von Vorteil, da in manchen Fällen ausgefallene Leistungskomponenten keinen Vollkurzschluss-Überstromzustand erzeugen können, sondern stattdessen einen resistiven Kurzschluss erzeugen, der von einer herkömmlichen Sicherung nicht geöffnet werden kann. Ein derartiges Ereignis verringert unter Umständen den Laststrom, kann jedoch trotzdem thermische Instabilität verursachen.


In rauen Kfz-Umgebungen sind Power-FETs routinemäßig großen Temperaturschwankungen und extremer thermo-mechanischer Beanspruchung ausgesetzt. Intermittierende Kurzschlüsse, kalte Betriebsumgebungen, Lichtbögen oder Kurzschluss-Spitzen sowie induktive Lasten und mehrere Kurzschlüsse können im Laufe der Zeit zu Ermüdungserscheinungen des Bausteins führen.

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TE Connectivity

Obwohl Power-FETs zunehmend robuster werden, sind sie anfällig für Ausfälle, die sehr schnell eintreten können, wenn ihre Nennwerte überschritten werden. Bei Überschreiten der maximalen Betriebsspannung eines Power-FET erfolgt ein Lawinendurchbruch. Liegt die Energie in der transienten Überspannung oberhalb der nominalen Lawinenenergie, versagt der Baustein. Dies erzeugt ein destruktives thermisches Ereignis, das Rauch oder Flammen erzeugt oder dazu führen kann, dass sich der Baustein selbstständig entlötet.

Power-FETs im Fahrzeug-Bereich sind nachweislich anfälliger für Ermüdung und Ausfall als in weniger anspruchsvollen Anwendungen installierte Komponenten. Ein Vergleich der Power-FET-Ausfallraten im Verlauf der Zeit zeigt, dass solche in rauen Umgebungen wie dem Automotive-Umfeld höhere PPM-Ausfallraten aufweisen, die nach fünf Jahren Einsatz das Zehnfache und mehr betragen können. Auch wenn der Power-FET die ersten Funktionstests besteht, ist erwiesen, dass zufällig verteilte Schwachstellen im Baustein unter bestimmten Bedingungen einen Ausfall im Laufe des Einsatzes verursachen können. Selbst in Situationen, in denen Power-FETs innerhalb der angegebenen Betriebsbedingungen arbeiten, kamen in der Praxis bereits zufällig verteilte und unvorhersagbare resistive Kurzschlüsse bei unterschiedlichen Widerstandswerten vor.

Der Ausfall im resistiven Modus ist besonders bedenklich, nicht nur für die Power-FETs, sondern auch für die Leiterplatten. Bereits 10 W kann eine lokalisierte Heißstelle Temperaturen von über 180 °C erzeugen, was deutlich über der mit 135 °C spezifizierten typischen Glasübergangstemperatur einer Leiterplatte liegt. Dies beschädigt die Epoxidstruktur der Leiterplatte und verursacht ein thermisches Ereignis.

Bild 1 beschreibt ein Szenario, in dem ein ausgefallener Power-FET keinen harten kurzen Überstromzustand generiert, sondern einen resistiven Kurzschluss, wodurch unsichere Temperaturen durch I2R-Erwärmung erzeugt werden.

Der Ausfall eines Power-FETs im resistiven Modus kann zu unsicheren Übertemperaturzuständen führen

Der Ausfall eines Power-FETs im resistiven Modus kann zu unsicheren Übertemperaturzuständen führenTE Connectivity

In diesem Fall ist der resultierende Strom unter Umständen nicht hoch genug, um eine Standardsicherung durchzubrennen und thermische Instabilität auf der Leiterplatte zu stoppen.

Die RTP-Lösung

Im Zuge einer starken Nachfrage nach einem robusten und zuverlässigen SMD-Baustein, der thermische Schäden infolge eines Versagens der Leistungselektronik verhindern kann, hat Tyco Electronics jetzt einen RTP-Baustein (Reflowable Thermal Protection) entwickelt und vor kurzem auf den Markt gebracht. Dieser sekundäre Wärmeschutzbaustein kann redundante Power-FETs, Relais und schwere Kühlkörper ersetzen, die in elektronischen Schaltungen im Kfz- und Industriebereich in der Regel zum Einsatz kommen.

Wenn ein Versagen der Leistungskomponenten oder ein Leiterplattendefekt unsichere Übertemperaturzustände erzeugt, unterbricht der RTP-Baustein, der sich bei 200 °C öffnet, den Strom und verhindert thermische Instabilität, die kritische Schäden verursachen kann. Mit 200 °C liegt der Wert über den normalen Betriebstemperaturen, aber unterhalb der Aufschmelztemperaturen von bleifreien Lötmitteln.

Bild 2 zeigt, dass der RTP-Baustein die FET-Temperatur verfolgt und den Schaltkreis öffnet, bevor eine langsame thermische Instabilität einen

Bei einer langsamen thermischen Instabilität verfolgt der RTP200-Baustein die PowerFET-Temperatur, bis der Baustein den Schaltkreis bei 200 °C öffnet.

Bei einer langsamen thermischen Instabilität verfolgt der RTP200-Baustein die PowerFET-Temperatur, bis der Baustein den Schaltkreis bei 200 °C öffnet.TE Connectivity

unerwünschten thermischen Zustand auf der Leiterplatte erzeugt, wenn der Baustein in Reihe auf der Stromleitung in der Nähe des FET integriert wird.

Funktionsweise

Die Öffnungstemperatur von 200 °C verhindert falsche Aktivierungen und verbessert die Systemzuverlässigkeit, da dieser Wert oberhalb des normalen Betriebsfensters der meisten normal funktionierenden Elektronik liegt, aber unterhalb des Schmelzpunkts von typischen bleifreien Lötmitteln. Der RTP-Baustein unterbricht die Verbindung somit nicht, wenn die umliegenden Komponenten in ihrem Zieltemperaturbereich arbeiten. Er wird jedoch geöffnet, bevor eine Komponente sich entlötet und das potenzielle Risiko zusätzlicher Kurzschlüsse entsteht.

Damit der RTP-Baustein im Einsatz bei 200 °C geöffnet wird, verwendet er ein einmaliges elektronisches Aktivierungsverfahren, um thermisch empfindlich zu werden. Vor der Aktivierung kann der Baustein drei Aufschmelzschritten von bleifreien Lötmitteln standhalten, ohne sich zu öffnen. Das Timing der elektronischen Aktivierung wird vom Benutzer bestimmt und kann so konfiguriert werden, dass die Aktivierung automatisch beim Einschalten des Systems oder während Systemtests erfolgt.