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Wenn ein moderner Zug anfährt, regeln Halbleiter die Stromzufuhr zu den Elektromotoren. Die Transistoren schalten mit hoher Frequenz zwischen dem gesperrten und dem leitenden Zustand hin und her. Stand der Technik sind heute IGBT-Halbleiter, die zu Modulen zusammengefasst werden. Indem sie besonders schnell schalten, erzeugen die IGBTs weniger Verluste als die bisher verwendeten Thyristoren.
Doch auch IGBT-Module sind durch die hohen Ströme von einigen hundert Ampere und die Vibrationen in der Lokomotive einem mechanischen Stress ausgesetzt. Je nachdem, ob der Zug beschleunigt, kontinuierlich fährt oder abbremst, wechseln die Last und demzufolge die Ströme, die durch die Module fliessen. Die Halbleiter heizen sich auf, kühlen wieder ab und unterliegen zugleich den Erschütterungen des Fahrzeugs. Das führt dazu, dass nach einer gewissen Lebensdauer einzelne Halbleiter und schliesslich ganze Module ausfallen.
Samuel Hartmann, bei ABB Semiconductors in Lenzburg als Principal Engineer verantwortlich für die IGBT-Modultechnologie, kennt die Anforderungen an die Module und deren Schwachstellen: «Komponenten in Schienenfahrzeugen werden typischerweise für eine Lebenszeit von 30 Jahren entwickelt. Durch die langjährige Belastung können sich Bonddrähte vom Emitterkontakt des Siliziumchips lösen. Ist nun eine Verbindung unterbrochen, erhöhen sich die Ströme durch die übrigen Drähte. Dadurch wird der Stress noch grösser und die Bonddrähte können kaskadenartig ausfallen.» Dass die Schwachstelle bei den Kontakten der Bonddrähte liegt, ergibt sich durch die unterschiedlichen Materialien. Das Aluminium der Bonddrähte und der Metallisierung auf dem Chip sowie das Silizium haben unterschiedliche Ausdehnungskoeffizienten. Jedes Mal, wenn sich die Halbleiter erwärmen, entstehen daher mechanische Spannungen.
Das Entwicklungsteam bei ABB versuchte mit zwei verschiedenen Methoden, den mechanischen Stress zu verkleinern: Einerseits mit zusätzlichen Kontakten der Bonddrähte auf den Emitter, andererseits mit einer zusätzlichen Schicht zwischen Silizium und Aluminium, die einen Ausdehnungskoeffizient zwischen den beiden Materialien besitzt.
«Um die Mechanismen besser zu verstehen, setzen wir neben Experimenten auch stark auf Simulationen. Damit kann der Einfluss verschiedener Materialien und Geometrien bewertet werden.» Diese Bewertung beschleunigt die Entwicklung bei ABB, da sie den entscheidenden Hinweis gibt, in welche Richtung weitere Verbesserungen zu erzielen sind, noch bevor aufwändige experimentelle Tests durchgeführt werden müssen. Die durchgeführten Simulationen bestehen genauer aus drei gekoppelten Simulationen: Die elektrischen Ströme, der Wärmefluss und die Mechanik werden gleichzeitig simuliert und miteinander kombiniert.
«In der Realität müssen oft verschiedene physikalische Phänomene gleichzeitig beachtet werden. Das führte zu den Multiphysiksimulationen, wie wir sie heute einsetzen», sagt Dr. Sven Friedel, Geschäftsführer der Firma Comsol, dem Anbieter der Simulationssoftware, die das Entwicklerteam bei ABB nutzt. «Der Markt der Simulationstools wächst von Jahr zu Jahr. Das liegt unter anderem daran, dass in den letzten fünf Jahren die Benutzerschnittstellen viel einfacher geworden sind», erklärt Friedel. Heute brauche es keinen Spezialisten mehr im Team, der sich ausschliesslich mit Simulationen beschäftige. Die Simulationssoftware sei zum Werkzeug jedes Entwicklers geworden wie ein Messinstrument oder eine Excel-Tabelle. Samuel Hartmann bestätigt dies. Auch er beschäftigt sich nur zu rund 20 % seiner Arbeitszeit mit Simulationen.
Das Team bei ABB simulierte verschiedene Bondtechniken. Wie erwartet reduzierte sich die Stromdichte in den Drähten, wenn diese mehrfach auf den Chip gebondet wurden. Allerdings reduzierte sich dadurch weder der Temperaturgradient noch der mechanische Stress in den Drähten. Trotzdem erwies sich das Mehrfachbonden als robuster: Durch die zusätzlichen Kontakte auf dem Emitter verkleinerte sich die Stromdichte in der Metallisierung des Emitters unmittelbar um die Stellen, wo die Bonddrähte hinführen – wodurch das Design um einen Faktor 4 robuster wurde gegenüber dem Originaldesign. Die zweite Methode, die Hartmanns Team verfolgte, verlängert die Lebensdauer sogar um einen Faktor 10: Zwischen das Silizium und die Bondkontakte wurde eine zusätzliche Schicht als Stresspuffer zugefügt. Die mechanischen Spannungen an den Bonddrähten sind dadurch viel kleiner.
«Indem wir die Zyklenfestigkeit der IGBT-Module erhöhen, können diese mehr Last schalten und trotzdem eine für Lokomotiven notwendige Lebensdauer von 30 Jahren erreichen. Der gleiche Bahnantrieb kann dadurch mit weniger IGBT-Modulen realisiert werden», sagt Hartmann. « Dadurch reduzieren wir direkt die Kosten der Fahrzeuge und erhöhen natürlich auch die Wettbewerbsfähigkeit unserer Module auf dem Markt.»
Längst sind es nicht mehr nur Grossfirmen, die sich die Simulationswerkzeuge leisten. «Heute sind auch Multiphysiksimulationen auf einem handelsüblichen Desktoprechner möglich», sagt Friedel. «Für aufwendige Parameterstudien oder Optimierungen kann man auf die Parallelisierung der Simulation zählen und Rechenzeit auf einem Cluster oder virtuellen Maschinen in der Cloud mieten.» Während früher der Entwicklungsingenieur zuerst das komplette Design bestimmte und dann simulierte, lässt man heute immer häufiger einzelne Parameter offen und lässt sie durch die Software optimieren. Man verändert die Geometrien oder die Lasten in hunderten oder sogar tausenden Simulationen. «Der Informationsgehalt von Simulationen ist daher ungleich höher als in der Vergangenheit, denn man kann die Stabilität des Designs gegenüber Variationen der Betriebsbedingungen vorhersagen», sagt Friedel.
Im gleichen Atemzug sagt er aber auch, dass Simulation Ingenieurwissen auf absehbare Zeit nicht ersetzen wird: «Es braucht immer einen Menschen, der die Simulation aufsetzt, hinterfragt und die Ergebnisse bewertet.» Wichtig sei auch, dass die richtige Abstraktionsebene einer Simulation gewählt werde. «Will man die Antenne eines Smartphones modellieren, kann man die elektromagnetischen Wellen auf Basis der Maxwell-Gleichungen lösen. Für die Lichtausbreitung in einer Handykamera wäre so ein Herangehen jedoch nicht sinnvoll und man würde auf strahlenoptische Gleichungen zurückgreifen, denn das Verhältnis von Objektgrösse zu Wellenlänge unterscheidet sich um einen Faktor 1000, was bei gleichem Vorgehen einen milliardenfach höheren Rechenaufwand bedeuten kann», erklärt Friedel.
Simulationen mit frei koppelbaren physikalischen Effekten sind heute unerlässlich, weil im Zuge allgegenwärtiger Miniaturisierung Effekte auf engstem Raum miteinander wechselwirken. Das gilt für die IGBTs von ABB, wo die Kopplung eher unerwünscht ist, genauso wie bei erwünschten Kopplungen beispielsweise in Sensoren, Batterien oder Energiewandlern, Elektromagnetik, Wärme, Mechanik, Strömung, Akustik, Plasma, chemischen Reaktionen oder gar biologischen Prozessen. Friedel: «Eine CAD-Zeichnung kann man heute mit jeder erdenklichen Kombination von Effekten zum Leben erwecken.»
Ein weiterer Trend bei den Simulationstools ist laut Friedel, Simulationen interaktiv zu gestalten: Mit Simulations-Apps können heute Manager oder Konstrukteure ohne Detailkenntnisse einzelne vorgegebene Parameter in einer Webschnittstelle anpassen und per Knopfdruck beobachten, wie sich das Ergebnis verändert. Friedel: «Der Ingenieur entwickelt nach wie vor das Modell für die Simulation. So kann er aber sein Wissen viel schneller mit Kollegen und Kunden teilen, wodurch der Entwicklungsprozess sich weiter beschleunigt und Risiken vermieden werden.»
E. Özkol, S. Hartmann, G. Pâques: «Improving the power cycling performance of the emitter contact of IGBT modules: Implementation and evaluation of stitch bond layouts», Microelectronics Reliability 54(12), 2796 – 2800
E. Özkol, F. Brem, C. Liu, S. Hartmann, A. Kopta: «Enhanced power cycling performance of IGBT modules with a reinforced emitter contact», Microelectronics Reliability 55 (6), 912 – 918