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Gleichrichter-Datenblätter richtig verstehen und Ausfälle vermeiden

| Autor / Redakteur: Jos van Loo * / Gerd Kucera

Bild 1: Burn-mark am Rand des Chips in der Passivierung des Chips
Bild 1: Burn-mark am Rand des Chips in der Passivierung des Chips (Bild: Taiwan Semiconductor)

Werden grundlegende Regeln befolgt und nicht allein Datenblattwerte angewandt, sondern auch Herstellungsprozess und Testergebnisse berücksichtigt, dann lassen sich Ausfälle vermeiden.

Ein wichtiges Bauelement einer leistungselektronischen Schaltung ist die Diode. Ihre Aufgaben sind den Strom und die Spannung zu stabilisieren, sie falls nötig zu blockieren, Kleinsignale zu schalten, zu lenken und vieles mehr. Ganz nach geforderter Aufgabe gibt es bekanntermaßen eine Vielzahl von diskreten Diodentypen, deren elektrisches Verhalten schnell mal zu einer Wissenschaft für sich werden kann.

Gleichrichterdioden zählen zu den einfachsten Bauteilen, die in der Elektronikentwicklung zum Einsatz kommen und ihre Datenblätter sind nicht sehr komplex. Jedoch ist der Anspruch hoch: Gleichrichterschaltungen arbeiten bei sehr hohen Sperrschichttemperaturen und Sperrschichtspannungen. Um Feldrückläufer zu minimieren, ist ein gutes Verständnis der Halbleiterprozesstechnik, der Testprogramme sowie der statistischen Prozesskontrolle erforderlich.

Gleichrichter-Datenblätter können gerade jüngere Hardware-Entwickler verunsichern. Denn einige Gleichrichterprodukte und deren Datenblätter-Informationen sind 30 bis 50 Jahre alt. Die Spezifikation der Gleichrichterdiode 1N4007 hat sich beispielsweise in den vergangenen Jahrzehnten nicht verändert. Die Branche richtet sich oft an veralteten Konventionen aus, auch wenn neue Produkte eingeführt werden. Gleichrichter und ihre Datenblätter wurden in der Vergangenheit daraufhin ausgelegt, den Ertrag zu optimieren und den Ausschuss zu minimieren. Sie verfolgen keine Null-Fehler-Strategie. Dieser Artikel behandelt nachfolgend Standardgleichrichter und Brückengleichrichter, deren Hauptanwendung die 50/60-Hz-AC-DC-Gleichrichtung ist. Des Weiteren finden Standardgleichrichter Einsatz als Polaritätsschutzdioden und Freilaufdioden bei typischen Strömen von 0,5 A bis 50 A.

Absolute Maximalwerte im Dioden-Datenblatt

In einem Gleichrichter-Datenblatt gibt es tatsächlich nur zwei absolute Maximalwerte: den Stoßstrom in Vorwärtsrichtung Ifsm und die Durchbruchspannung Vrrm. Ein Überschreiten kann zu Ausfällen mit schwerwiegenden Folgen führen. Fehleranalyseberichte resultieren häufig in unterschiedliche Fehlermodi. Diese Fehler können leicht reproduziert werden. Beispielsweise erzeugt eine Überspannung üblicherweise eine Burn-mark am Rand des Chips in der Passivierung des Chips (Bild 1). Ein Stoßstrom hingegen erzeugt einen Burn-mark, der sich in der Mitte des Chips/aktiven Fläche befindet und manchmal entstehen auch mechanische Risse durch zu hohe thermische Energie.

Die Durchbruchspannung wird zu 100% in der Produktion getestet – sogar mehrmals, um Null-Fehler ppm zu garantieren. Hersteller können damit diesen Parameter garantieren. Design-Probleme können dadurch entstehen, dass die Streuung der Durchbruchspannung Vrrm nicht berücksichtigt wird. Die meisten Standardgleichrichterfamilien haben viele verschiedene Teilenummern, die normalerweise von 100 V bis 1000 V reichen, aber sie haben meist nur eine oder zwei Wafer-Quellen. Eine Schaltung, bei der die Vrrm überschritten wird, kann im Labor und bei kleineren Prototypen aufgrund der geringen Stückzahlen nicht zu Ausfällen führen, wobei in der Massenproduktion durchaus mit Fehlern zu rechnen ist. Gleichrichter sollten im Avalanche-Bereich nicht eingesetzt werden, da sie nicht für diesen Zweck entwickelt wurden, es sei denn, das Datenblatt gibt dies ausdrücklich an.

Ein Überschreiten der Vrrm wird nicht empfohlen, da die Avalanche-Ströme bei der Passivierung am Rand des Chips und nicht in den Chip selber fließt. Obwohl es als positiv angesehen werden sollte, wenn ein Lieferant ein Avalanche-Rating angibt, da dies ein Zeichen für Robustheit sein kann, sollte das Rating mit Bedacht bewertet werden. Die Testzeit kann sich erheblich vom Avalanche-Puls in der Schaltung unterscheiden. Viele Datenblätter geben auch nicht repetitive Avalanche-Ratings an, wohingegen viele Designs repetitive Spitzen aufweisen, die viel Energie verbrauchen können.

Der Stoßstrom Ifsm wird nicht in der Massenproduktion getestet, sondern ist konstruktionsbedingt garantiert. Die meisten Stoßströme bei der AC/DC-Umwandlung betragen weniger als 1,5 ms. Die vorübergehende thermische Impedanz ist der Schlüsselparameter, der die maximale Leistung limitiert. Unter 1,5 ms wird die Puls-Belastbarkeit des Gleichrichters von der Chip-Größe und der Anbindung Chip/Leadframe bestimmt – hauptsächlich von der Qualität der Lötstellen und der Fähigkeit des Herstellungsprozesses „solder voids“ zu minimieren.

Der Ifsm-Puls wird im Datenblatt normalerweise für einen Impuls von 8,3 ms/10 ms Sinuswelle und eine ohmsche Last angegeben, die einer linearen 60/50-Hz-Stromversorgung ähnelt. Diese Angaben sind überholt, denn die heutigen Stromversorgungen bestehen hauptsächlich aus SMPS und die Gleichrichter werden kapazitiv belastet. Daher ist der typische Einschaltstrom viel kürzer als 10 ms. Einige Hardware-Entwickler sind versucht, die I2t-Daten in den Datenblättern zu verwenden, dies kann jedoch irreführend sein. Die Durchlassspannung Vf ist für höhere Ströme nicht konstant, die Pulsformen sind unterschiedlich und Hardware-Entwickler können in einem anderen Bereich der transienten thermischen Impedanz arbeiten. I2t gibt Hardware-Entwicklern also nur grobe Näherungswerte.

Die meisten Gleichrichteranbieter nehmen einen Delta-Vf-Test in ihren Endtest auf. Der Delta-Vf-Test misst den Spannungsabfall eines Gleichrichters vor und nach einem kurzen Stromimpuls. Da die Durchlassspannung Vf einen negativen Temperaturkoeffizienten aufweist, gibt die Verschiebung des Vf eine Aussage über den Wärmewiderstand wieder und es können damit Produkte mit schlechten Lötstellen identifiziert werden. Um Fehler in der Entwicklung zu vermeiden ist ein Austausch zwischen Lieferant und Hersteller zielführend.

Datenblattangabe zur Sperrschichttemperatur

Die maximale Sperrschichttemperatur Tj eines Gleichrichters kann auf drei verschiedene Arten interpretiert und verwendet werden: Zur Bestimmung des Nennstroms, zur Definition der Zuverlässigkeitstests und zur Bestimmung der Langzeitzuverlässigkeit nach der Arrhenius-Gleichung.

Bild 2: Die Derating-Kurve der Gleichrichterdiode 1N4007.
Bild 2: Die Derating-Kurve der Gleichrichterdiode 1N4007. (Bild: Taiwan Semiconductor)

Gleichrichter sind temperaturabhängige Produkte. Die wichtigste Gleichung für einen Gleichrichter ist Tj = Ta + Pd x Rthj-a, wobei Tj die Sperrschichttemperatur, Ta die Umgebungstemperatur, Pd die Verlustleistung und Rthj-a der Wärmeübergangswiderstand zur Umgebung ist. Normalerweise kann man Leckstrom und Schaltverluste ignorieren: in diesem Fall ist Pd = If x Vf. Die Strombelastbarkeit eines Gleichrichters folgt dieser Gleichung, und es kann beobachtet werden, dass das Produktmarketing den Nennstrom oder die Stromreduzierungskurve eines Gleichrichters so anpasst, dass der Rthj-a-Wert zu einem unrealistischen Wert geändert wird, um das Datenblatt attraktiver zu machen. In Bild 2 wird die Derating-Kurve des 1N4007 als Beispiel genommen.

Das Produktmarketing bestimmt das Rthj-a in dieser Kurve und den Punkt, an dem das Derating beginnt. Derselbe Gleichrichter kann unter verschiedenen thermischen Umständen eine doppelt so große Nennstromstärke haben. Dies kann vermieden werden, indem die Gehäusetemperatur (Tc) auf der x-Achse verwendet wird und Rthj-l ein fester Wert im Datenblatt ist. Entwickler sollten jedoch auch vorsichtig sein, wenn in den Derating-Diagrammen die Gehäusetemperatur Tc auf der x-Achse und nicht die Umgebungstemperatur Ta angegeben ist (insbesondere bei SMD-Bauteilen).

Bild 3: Die typische Vf-Kurve kann nicht manipuliert werden und erlaubt einen direkten Vergleich.
Bild 3: Die typische Vf-Kurve kann nicht manipuliert werden und erlaubt einen direkten Vergleich. (Bild: Taiwan Semiconductor)

In den meisten Ausführungen besteht der Wärmewiderstand aus zwei Teilen: Wärmewiderstandsübergang von der Sperrschicht zum Gehäuse oder Lötstelle und Wärmewiderstand vom Gehäuse oder Lötstelle zur Umgebung. Sofern die Produkte nicht an einem Kühlkörper befestigt sind, leistet der Wärmewiderstand vom Gehäuse zur Umgebung den Hauptbeitrag des gesamten Rthj-a (+75% oder mehr). Das Derating in Abhängigkeit der Gehäusetemperatur Tc verliert in diesem Fall an Aussagekraft. Das Konzept des unbegrenzten Kühlkörpers ist rein theoretisch.

Wenn Gleichrichter verschiedener Anbieter miteinander verglichen werden, ist zu beachten, dass Anbieter unterschiedliche Bedingungen anwenden und der Vergleich der Datenblätter somit irreführend sein kann. Die Aussage, dass ein Gleichrichter 2 A oder 5 A hat, kann bedeutungslos sein. Es ist besser, die Vf-Spezifikationen und die Testbedingungen zwischen zwei Gleichrichtern zu vergleichen. Die meisten Lieferanten geben in den Datenblättern eine typische Vf-Kurve an, in der Vf gegen den Strom aufgetragen ist. Diese Kurve kann nicht manipuliert werden und ermöglicht bei korrekter Messung einen direkten Vergleich (Chip-Größen).

Die maximale Sperrschichttemperatur bestimmt auch die Bedingungen für die Zuverlässigkeitsprüfung. Es ist zu beachten, dass es den Anbietern von Gleichrichtern freigestellt ist, wie sie die maximale Sperrschichttemperatur definieren und wie sie Zuverlässigkeitstests durchführen. Wenn jedoch ein Teil nach AEC-Q101 qualifiziert ist, sind diese Prüfbedingungen klar definiert. Insbesondere die HTRB-Prüfung (High Temperature Reverse Bias) ist von entscheidender Bedeutung, um die Zuverlässigkeit des Front-End-Prozesses zu bestimmen. AEC-Q101 qualifizierte Teile sollten auf die im Datenblatt angegebene Nennspannung von Tj und DC/VRRM geprüft werden. Wenn ein Teil nicht nach AEC-Q101 qualifiziert ist, sollte der Entwickler nachfragen, wie die HTRB-Prüfung durchgeführt wird.

Es ist wichtig zu verstehen, dass trotz Definition der maximalen Sperrschichttemperatur im Datenblatt eine niedrigere Temperatur in der Anwendung immer zu weniger Feldausfällen führt. Um dies zu verstehen ist es am besten, die Beschleunigungsfaktoren in der Arrhenius-Gleichung zu untersuchen. Im Fall einer Automotivanwendung in einer 12-V-Umgebung, sind der Accelerated Temperature Cycle Test und das Coffin-Manson Model möglicherweise die Hauptinstrumente zur Bewertung der langfristigen Zuverlässigkeit. Bei der AC/DC- und DC/DC-Wandlung sollte jedoch Arrhenius verwendet werden.

Tabelle: Der Beschleunigungsfaktor AF zur Berechnung der FIT-Rate.
Tabelle: Der Beschleunigungsfaktor AF zur Berechnung der FIT-Rate. (Quelle Taiwan Semiconductor)

Hersteller geben normalerweise FIT-Daten bei 55 °C mit einem Vertrauensniveau von 60% oder 90% an. FIT steht für Failures in Time und beschreibt die Anzahl der Geräteausfälle in eine Milliarde Gerätestunden. Der Beschleunigungsfaktor AF gibt dem Konstrukteur dann eine Vorstellung von der FIT-Rate in seiner Konstruktion, indem er die Tj bestimmt und die FIT-Rate bei 55 °C mit dem AF für die gemessene Tj multipliziert.

Die Tabelle listet die Beschleunigungsfaktoren auf, die mit einer Aktivierungsenergie von 0,7 eV (Standard für Gleichrichter) berechnet wurden, zur Anwendung hierbei kam die Arrhenius-Gleichung.

Viele Unternehmen haben die Vorgabe, die Lead-Temperatur auf der Leiterplatte auf einen Worst-Case von etwa 90 °C zu minimieren. Dies ergibt normalerweise eine Tj von 100 °C/110 °C für Gleichrichter. Dies wird als guter Design-Ansatz angesehen. In der genannten Tabelle wurde der AF auch für 149 bis 151 °C hinzugefügt, um hervorzuheben, dass der prozentuale Unterschied in der Fehlerrate bei höheren Temperaturen sinkt.

Weitere Parameter, die von Interesse sind

Bild 4: Darstellung des PAT (=Part Average Testing). Dieser Test​ 
identifiziert Komponenten, die außerhalb der normalen statistischen Verteilung liegen.
Bild 4: Darstellung des PAT (=Part Average Testing). Dieser Test​ 
identifiziert Komponenten, die außerhalb der normalen statistischen Verteilung liegen. (Bild: Taiwan Semiconductor)

Die Spezifikationen des Leckstroms für Standardgleichrichter sind in vielen Datenblättern auf 1 bis 5 µA festgelegt. Diese Spezifikationen können 30 bis 50 Jahre alt sein und es wurden zwischenzeitlich viele technologische Verbesserungen vorgenommen. Die normale Verteilung des Leckstroms endet je nach Chip-Größe bei ca. 100 nA. Die 5-µA-Spezifikationen oder sogar 1-µA-Testspezifikationen sind bedeutungslos. Die Cpk-Werte von 20 und mehr bedeuten nicht, dass die Teile sehr zuverlässig sind, sondern weisen auf einen Fehler in den Datenblättern hin.

Tatsächlich verursachen Gleichrichter mit einem Leckstrom zwischen der Normalverteilung und den Datenblattgrenzwerten von 1 bis 5 µA am wahrscheinlichsten Feldausfälle. Sie haben entweder mechanische Beschädigungen, Passivierungsprobleme oder andere Mängel. Anstatt sich auf die Werte des Datenblattes zu verlassen, sollte ein Hardware-Entwickler, der nahe an Zero Defects (Null Fehler) kommen möchte, fragen, ob ein PAT (Part Average Testing) durchgeführt wurde.

Bild 5: Temperaturwerte bzw. Temperaturverteilung auf einem Gleichrichter.
Bild 5: Temperaturwerte bzw. Temperaturverteilung auf einem Gleichrichter. (Bild: Taiwan Semiconductor)

PAT identifiziert Komponenten, die außerhalb der normalen statistischen Verteilung liegen. Jedes Bauteil wird mit einer bestimmten Konstruktion und einem bestimmten Prozess hergestellt, der bei korrekter Verarbeitung zu einem bestimmten konsistenten Set an charakteristischen Testergebnissen führt. PAT verwendet statistische Techniken, um die Grenzen dieser Testergebnisse festzulegen. Diese Testgrenzen dienen zum Entfernen von Ausreißern und sollten minimalen Einfluss auf die Ausbeute der korrekt verarbeiteten Teile haben. Bauteile werden als Ausreißer bezeichnet, wenn ihre Parameter statistisch vom typischen Bauteil abweichen.

PAT-Tests überschreiben Datenblattwerte und verknüpft die Testspezifikation mit der Normalverteilung (6-Sigma-Testmethode). Der Test stellt sicher, dass Teile mit einer schlechten Zuverlässigkeit herausgesiebt werden. Normalerweise haben Standardgleichrichter eine Wafer-Quelle (beispielsweise 1000 V) und einige Anbieter bieten für niedrigere Spannungen (beispielsweise 100 V/200 V) einen geringeren Preis. Aber dieses Vorgehen reduziert die notwendige Zuverlässigkeit.

* Jos van Loo ist Technical Support Engineer Power Semiconductor bei Taiwan Semiconductor Europe.

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