NotTooHot

Projektlaufzeit: 10/2026 – 09/2027

Moderne Leistungshalbleiter ermöglichen immer höhere Leistungsdichten bei gleichzeitiger Miniaturisierung. Damit steigen jedoch auch die Anforderungen an die thermische Auslegung, da die im Betrieb entstehende Verlustwärme auf immer kleinerem Raum zuverlässig aus dem Bauelement abgeführt werden muss. Gerade bei neuen Leistungshalbleitern fehlen häufig belastbare Messwerte und Erfahrungswerte zum thermischen Verhalten.

Besonders kritisch ist dabei die Temperatur im Inneren des Halbleiterchips. Diese lässt sich im Betrieb nicht direkt erfassen, da der Chip im Gehäuse eingebettet ist. Klassische Temperaturmessverfahren, beispielsweise mit Wärmebildkameras, erfassen lediglich die äußere Gehäusetemperatur. Für die Entwicklung und Bewertung moderner Leistungshalbleiter reicht dies jedoch nicht aus. Benötigt werden präzise thermische Modelle, mit denen sich die zeitliche Entwicklung der Chiptemperatur beschreiben und das reale thermische Verhalten eines Bauelements quantitativ bewerten lässt.

Hier setzt das Forschungsprojekt NotTooHot an. Im Projekt wird ein Messsystem zur thermischen Charakterisierung von Leistungshalbleitern weiterentwickelt und validiert. Während des Abkühlvorgangs wird die Chiptemperatur indirekt über die temperaturabhängige Durchlassspannung des Halbleiters erfasst. Aus dem gemessenen Temperaturverlauf werden anschließend thermische Impedanzen bestimmt, die eine detaillierte Beschreibung des dynamischen thermischen Verhaltens ermöglichen. Auf dieser Grundlage können vollständige thermische Modelle des realen Bauelements und seiner Einbausituation erstellt werden.

Eine besondere Herausforderung sind die großen Unterschiede im zeitlichen Verlauf der thermischen Vorgänge. Direkt nach der Belastung treten hohe Temperaturänderungen auf, während sich die vollständige Abkühlung über deutlich längere Zeiträume erstrecken kann. Deshalb arbeitet das Messsystem mit einer dynamischen Abtastzeit. Zu Beginn der Messung werden die Temperaturwerte mit hoher zeitlicher Auflösung erfasst. Mit abnehmender Temperaturänderung wird der Abstand zwischen den Messpunkten schrittweise vergrößert.

Die gewonnenen thermischen Kennwerte ermöglichen eine quantitative Bewertung und den Vergleich von Leistungshalbleitern unter realen Einbaubedingungen. Sie bilden damit eine Grundlage für die thermische Auslegung und Optimierung zukünftiger leistungselektronischer Systeme.

EFRE | Sächsisches Staatsministerium für Wirtschaft, Arbeit und Verkehr (SMWA)