Die Daten des Kraftfahrt-Bundesamtes (KBA) zeichnen ein sehr deutliches Bild: 2017 haben die Deutschen mit privaten PKWs eine Strecke von 630 Milliarden Kilometern zurückgelegt, was einer Laufleistung eines privaten PKWs von etwa 14.000 Kilometern im Jahr entspricht. Eine ähnliche Laufleistung von 19.300 km/Jahr erreichen Transporter unter 3,5 Tonnen – und auch die größeren Lieferfahrzeuge mit 3,5 bis sechs Tonnen liegen mit knapp 18.000 km/Jahr auf vergleichbarem Niveau.

Bild 1: Aufteilung gefahrener Kilometer auf Fahrzeugklassen laut KBA. Nutzfahrzeuge wie LKWs und Busse legen nur 10 Prozent der Strecke von PKWs zurück.

Bild 1: Aufteilung gefahrener Kilometer auf Fahrzeugklassen laut KBA. Nutzfahrzeuge wie LKWs und Busse legen nur zehn Prozent der Strecke von PKWs zurück. Kraftfahrt Bundesamt

Das Bild ändert sich allerdings, wenn die bewegten Massen steigen. So überschreitet die Laufleistung von LKWs über sechs Tonnen bereits die Marke von 37.000 km, die von Omnibussen liegt sogar über 57.000 km. Sattelzugmaschinen belegen mit beinahe 97.000 km den Spitzenplatz und legen somit – im Mittel – etwa 380 km am Tag zurück. Die Statistik des KBA in Bild 1 weist auch darauf hin, dass Zugmaschinen, LKWs und Busse „nur“ zehn Prozent der Strecke zurücklegen, die von PKWs absolviert wird.

Trotzdem ist der im Vergleich zum PKW höhere Treibstoffbedarf dieser Fahrzeuge der Grund dafür, dass diese Klasse für einen Großteil des Verbrauchs fossiler Treibstoffe steht. Der bei weitem größte Unterschied zwischen privatem PKW und größeren Fahrzeugen zeigt sich in der erwarteten Lebensdauer. Während ein PKW bei einer Nutzung von über zehn Jahren auf 4000 Betriebsstunden kommt, erreicht ein im Schichtdienst eingesetzter Bus oder LKW nach 15 bis 20 Jahren 100.000 Betriebsstunden – eine große Herausforderung, wenn der Antrieb elektrisch sein soll.

Lastprofil als Herausforderung

Bild 2: Schichtaufbau bei Leistungshalbleitern: Grund für Ausfälle sind vor allem unterschiedliche Längenänderungen einzelner Komponenten bei der Erwärmung.

Bild 2: Schichtaufbau bei Leistungshalbleitern: Grund für Ausfälle sind vor allem unterschiedliche Längenänderungen einzelner Komponenten bei der Erwärmung. Infineon

Wenngleich sich Leistungshalbleiter nicht im Sinne von Zahnrädern oder Kugellagern bewegen, altern sie aufgrund von mechanischer Belastung. Anders als bei mechanischen Komponenten ist die Ursache nicht Reibung sondern die unterschiedliche Längenänderung einzelner Komponenten in Folge von Erwärmung. Zwei Effekte sind hier von besonderer Bedeutung, weil sie – abhängig vom Lastprofil des Fahrzeuges – die Lebensdauer der Leistungselektronik begrenzen. Beide Effekte lassen sich an dem in Bild 2 schematisch dargestellten Aufbau eines Leistungshalbleiters erläutern.

Bild 3: Durch Power-Cycling, vor allem beim Stop-and-Go-Einsatz von Bussen, kann es zur Ablösung der Bond-Drähte kommen.

Bild 3: Durch Power-Cycling, vor allem beim Stop-and-Go-Einsatz von Bussen, kann es zur Ablösung der Bond-Drähte kommen. Infineon

Der erste Effekt – das Power Cycling – findet statt, wenn kurze Leistungsspitzen nur die Teile des Aufbaus erwärmen, die kleine thermische Kapazitäten aufweisen. In Zeitbereichen weniger Sekunden erwärmen sich im Aufbau hauptsächlich die Bonddrähte und die Halbleiter selbst. Die größere thermische Kapazität der Kupferbodenplatte verhindert eine starke Erwärmung innerhalb von kurzen Intervallen. Eine Temperaturänderung am Bonddraht verursacht eine Längenausdehnung, die wiederum zu einer mechanischen Belastung an den Verbindungsstellen zum Chip oder der Kupferoberfläche der DCB führt (Bild 3).

Power Cycling findet immer dann statt, wenn kurzfristig viel Strom im Halbleiter fließt. In Elektrofahrzeugen tritt dieser Fall beim Anfahren mit hohem Drehmoment oder beim Zurückspeisen von Energie mit hoher Leistung beim Bremsen ein. Insbesondere beim Stop-and-Go-Einsatz von Bussen im städtischen Verkehr treten diese Zyklen sehr häufig auf.

Resultat eines fehlenden Bonddrahtes ist eine Vergrößerung der Stromdichte in den verbleibenden Verbindungen, was deren erhöhte Erwärmung zur Folge hat. Der Fehler wächst damit schneller und führt schlussendlich zur Zerstörung des Halbleiters.

Thermal Cycling bei LKWs

Bild 4: Ultraschall-Mikroskopbild einer neuen Systemlötung (oben) und nach 40.000 Zyklen (unten).

Bild 4: Ultraschall-Mikroskopbild einer neuen Systemlötung (oben) und nach 40.000 Zyklen (unten). Infineon

Der zweite Effekt – das Thermal Cycling – ist eine Konsequenz längerer Erwärmungszyklen. Hierbei durchdringt die Wärme den gesamten Aufbau bis hin zu einem stationären Zustand. Unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten von keramischen Trägern und dem Kupfer der Bodenplatte sind der Grund für unterschiedlich starke Ausdehnung. Die Systemlötung zwischen diesen Schichten muss die Unterschiede ausgleichen und gerät somit unter thermisch-mechanischen Stress. Sind Temperaturhub und Anzahl der durchlaufenen Zyklen groß genug, lösen sich die Schichten (Bild 4).

Erreicht die Delamination die Fläche unterhalb der Halbleiterchips, erhöht sich der thermische Widerstand und die Chiptemperatur bei gleichem Strom steigt. Damit unterliegt auch dieser Effekt einer positiven Rückkopplung und führt nach einer hinreichend großen Anzahl an Temperaturzyklen zur Zerstörung der Komponente.

Die Lebensdauer der Leistungselektronik in einem Fahrzeug hängt damit maßgeblich von dem Temperaturhub ab, dem der elektronische Aufbau unterliegt. Im Zyklus aus gewähltem Halbleiter, Temperaturhub und geforderter Lebensdauer hat es der Entwickler in der Hand, über die Wahl der Komponente und die Dimensionierung der Kühlung die Lebensdauer zu bestimmen.

Der Anwendungsfall Bus im Personen-Nahverkehr stellt wegen der häufigen Brems- und Beschleunigungsphasen besonders hohe Ansprüche. Im Vergleich dazu legt ein LKW im Fernverkehr auf Autobahnen große Strecken bei nahezu konstanter Geschwindigkeit zurück. Hierbei entsteht am Halbleiter durch Stromfluss und die begleitenden Verluste zwar eine hohe Temperatur, es entsteht aber kein hoher Temperaturhub.

 

Welche Verbesserungen es auf der Halbleiterseite gibt und warum gerade die Chipoberfläche zur Herausforderung wird, erfahren Sie auf der nächsten Seite.

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