Die stetig wachsende Nachfrage nach Elektronik, die sich in anspruchsvollen Umgebungen, beispielsweise unter der Motorhaube und in rauen industriellen Anwendungen einsetzen lässt, steigert den Bedarf an modernen Materialien und effizienten Leistungskomponenten. Hochleistungsanwendungen bei hohen Temperaturen stellen hohe Anforderungen an Leistungselektroniksysteme. Das kann unter Umständen schwerwiegende Wärmeprobleme zur Folge haben, wenn Komponenten, wie Leistungs-Feldeffekttransitoren (Power-FETs), Kondensatoren, Widerstände oder integrierte Schaltungen diesen rauen Umgebungen lange ausgesetzt sind.
In Automotive-Umgebungen sind Power-FETs routinemäßig extremen Temperaturschwankungen und hoher thermo-mechanischer Belastung ausgesetzt. Intermittierende Kurzschlüsse, kalte Betriebsumgebungen, hohe Lichtbögen oder Kurzschluss-Spitzen sowie induktive Lasten und mehrere Kurzschlüsse können im Laufe der Zeit zu Ermüdungserscheinungen des Bausteins führen. Obwohl die Leistungsbausteine zunehmend robuster designt werden, sind sie anfällig für Ausfälle. Diese können in der Regel sehr schnell eintreten, wenn die Nennwerte der Leistungsbausteine überschritten werden. Bei Überschreiten der maximalen Betriebsspannung eines Power-FET erfolgt ein Lawinendurchbruch. Wenn die Energie in der transienten Überspannung oberhalb der nominalen Lawinenenergie liegt, versagt der Baustein. Dies erzeugt ein destruktives thermisches Ereignis, das Rauch oder Flammen erzeugt oder dazu führen kann, dass sich der Baustein selbstständig entlötet.
Problem: Schwachstellen in der Leistungskomponente
Ein Vergleich der Power-FET-Ausfallraten im Verlauf der Zeit zeigt, dass Bausteine in rauen Umgebungen höhere PPM-Ausfallraten aufweisen. Nach fünf Jahren Einsatz kann der Unterschied größer als ein Faktor von zehn sein. Obwohl ein Power-FET anfängliche Tests bestehen kann, ist erwiesen, dass unter bestimmten Bedingungen zufällig verteilte Schwachstellen in der Leistungskomponente einen Ausfall während des Einsatzes verursachen können. Selbst in Situationen, in denen die Bausteine innerhalb der angegebenen Betriebsbedingungen arbeiten, ließen sich zufällig verteilte und unvorhersagbare resistive Kurzschlüsse bei unterschiedlichen Widerstandswerten beobachten. Der Ausfall im resistiven Modus ist besonders von Bedenken – für die Power-FETs und die Leiterplatten. Bereits 10 Watt können eine lokalisierte Heißstelle von mehr als 180 Grad Celsius erzeugen, was deutlich über der typischen Glasübergangstemperatur einer Leiterplatte von 135 Grad Celsius liegt. Das 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. Folge: Es werden unsichere Temperaturen durch I²R-Erwärmung erzeugt. In diesem Fall ist der resultierende Strom unter Umständen nicht hoch genug, um eine Standardsicherung durchzubrennen und thermische Instabilität auf der Leiterplatte zu stoppen.
Lösungen entwickeln: Der RTP-Baustein
Aufgrund der starken Nachfrage nach einem robusten und zuverlässigen SMD-Baustein, der thermische Schäden infolge eines Versagens der Leistungselektronik verhindern kann, hat TE Connectivity (ehemals Tyco Electronics) einen Reflowable-Thermal-Protection-Baustein (RTP) entwickelt und vor kurzem in den Markt eingeführt. Dieser sekundäre Wärmeschutzbaustein kann redundante Power-FETs, Relais und schwere Kühlkörper ersetzen, die normalerweise in Elektronikdesigns im Kfz- und Industriebereich zum Einsatz kommen.
Auf einen Blick
Wenn Power-FETs im Automotive ausfallen, entstehen dennoch keine Schäden durch thermische Instabilität. In Automotive-Umgebungen herrschen nicht nur extrem raue Temperaturen vor, auch die thermo-mechanische Belastung ist nicht ohne. So führen unter anderem Kurzschlüsse, Lichtbögen oder induktive Lasten zu Ermüdungserscheinungen im Leistungsmosfet. Und trotz robusten Designs ist die Leistungskomponente vor Ausfällen nicht gefeit. Der RTP-Schutzbaustein von Tyco Electronics schafft hier Abhilfe. Er sorgt dafür, dass keine Schäden durch Voll- oder resistive Kurzschlüsse entstehen, was dem Gesamtsystem zu Gute kommt.
Wenn ein Leistungskomponentenversagen oder ein Leiterplattendefekt unsichere Übertemperaturzustände erzeugt, unterbricht der RTP-Baustein den Strom und verhindert thermische Instabilität, die kritische Schäden verursachen kann. Die Komponente öffnet sich bei 200 Grad Celsius: Das liegt über den normalen Betriebstemperaturen, aber unter den Aufschmelztemperaturen von bleifreien Lötmitteln. Bild 2 verdeutlicht, dass der RTP-Baustein die FET-Temperatur verfolgt und den Schaltkreis öffnet, bevor eine langsame thermische Instabilität einen unerwünschten thermischen Zustand auf der Leiterplatte erzeugt, wenn der Baustein in Reihe auf der Stromleitung in der Nähe des FET integriert wird.
Funktionsweise betrachten
Die Öffnungstemperatur des RTP-Bausteins von 200 Grad Celsius verhindert falsche Aktivierungen und verbessert die Systemzuverlässigkeit, weil dieser Wert oberhalb des normalen Betriebsfensters der meisten, normal funktionierenden Elektronik liegt, aber unterhalb des Schmelzpunkts von bleifreien Lötmitteln. Der Baustein wird somit nicht geöffnet, wenn die umliegenden Komponenten in ihrem Zieltemperaturbereich arbeiten. Allerdings wird er geöffnet, bevor eine Komponente ausgelötet wird und das potenzielle Risiko von zusätzlichen Kurzschlüssen entsteht. Damit beim Einsatz der Komponente die Öffnung bei 200 Grad Celsius funktioniert, verwendet sie ein einmaliges elektronisches Aktivierungsverfahren, um thermisch empfindlich zu werden. Vor der Aktivierung kann der Baustein drei Aufschmelzschritte von bleifreien Lötmitteln standhalten, ohne sich zu öffnen. Das Timing der elektronischen Aktivierung wird vom Anwender bestimmt und lässt sich so konfigurieren, dass die Aktivierung automatisch beim Einschalten des Systems oder während der Systemtests erfolgt.
Fazit
Der RTP-Baustein schützt vor Schäden durch thermische Instabilität, die durch ausgefallene FETs, Kondensatoren, integrierte Schaltungen, Widerstände und andere Komponenten, die Risse bilden oder korrodieren können, verursacht werden. Die thermische Empfindlichkeit des Bausteins ist von Vorteil, weil in manchen Fällen ausgefallene Leistungskomponenten keinen Vollkurzschluss-Überstromzustand erzeugen können. Folge: Es wird ein resistiver Kurzschluss erzeugt, der von einer herkömmlichen Sicherung nicht geöffnet werden kann. Diese Art von Ereignis verringert beispielsweise den Laststrom, kann jedoch trotzdem thermische Instabilität verursachen. Der RTP-Baustein verhindert Schäden, die sowohl durch Vollkurzschlüsse als auch resistive Kurzschlüsse verursacht werden.
Werner Gretzke
(eck)
