Korrosion, elektrochemische Migration, Feuchtediffusion

Eine große Anzahl an Ausfällen von elektronischen Baugruppen lassen sich nachweislich auf den Einfluss und das Einwirken von Feuchte zurückführen. Elektronische Systeme werden immer öfter wechselnden klimatischen Umgebungseinflüssen ausgesetzt. Gleichzeitig führt die fortschreitende Miniaturisierung zu immer kleineren Strukturabmessungen und folglich kleineren Packages. Geringere Abmessungen in den Packages haben auch geringere Diffusionswege für äußere Belastungen durch Feuchte zur Folge. Hierdurch kann es verstärkt zu elektrochemischen Degradationsmechanismen kommen, die noch vor einiger Zeit kaum Beachtung fanden. Generell stellt die Belastung von Feuchte auf Elektroniken für jedes System eine große Herausforderung dar. Diese Form der Degradation führt im Normalfall zum Versagen der elektrischen Schaltung. Deshalb ist es wichtig, die für die Verkapselung verwendeten Materialien rechtzeitig hinsichtlich ihrer Zuverlässigkeit und eventuellen Eigenschaftsänderungen zu untersuchen. Gleichzeitig müssen die durch die Herstellungsprozesse zu erwartenden Einflüsse und Rückstände von Anfang an mit in Betracht gezogen werden.

Der Forschungsschwerpunkt beschäftigt sich u.a. mit:

der Untersuchung der Triebkräfte und Einflussparameter der Ausfallmechanismen im Zusammenhang mit Korrosions- und Migrationserscheinungen,
der Optimierungen des Designs hinsichtlich des Betriebs unter harschen Bedingungen,
der Erarbeitung von Bewertungskriterien und
der Qualifizierung möglicher Materialien.

Dafür werden in diesem Forschungsschwerpunkt verschiedene Methoden verwendet sowie kombiniert. Hervorzuheben sind hierbei vor allem:

Elektrochemische Messmethoden
- Cyclovoltammetrie (CV)
- Stromdichte-Potential-Messung (LP)
- Ruhepotential-Messung (OCP)
High Humidity High Temperature Reverse Bias Test (H³TRB)
Surface Insulation Resistance Test (SIR)
Analytische Methoden
- Focused Ion Beam (FIB)
- Rasterelektronenmikroskopie (REM)
- Energiedispersive Röntgenspektroskopie (EDX)
- ….
Simulationsansätze

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Power4re

Power4re - Zuverlässige Umrichter für die regenerative Energieversorgung

In dem Projekt power4re geht es um die Entwicklung von wirksamen Lösungen zur Steigerung der Zuverlässigkeit und Robustheit von Umrichtern zur dezentralen elektrischen Energiewandlung

Die zur Netzeinspeisung genutzten Wechselrichter in Solarparks bzw. Frequenzumrichter in Windenergieanlagen (im Folgenden vereinfachend: Umrichter) sind besonders herausfordernden Betriebs- und Umge-bungsbedingungen ausgesetzt. Sie zählen heute zu den am häufigsten ausfallenden Anlagenkomponenten und verursachen so zum Teil beträchtliche Kosten. Orientiert an den hohen Anforderungen dieser beiden Anwendungen werden in power4re Material-, Verfahrens- und Strukturoptimierungen sowie Schutzkonzepte für Umrichterkomponenten entwickelt. Im Fokus stehen dabei die anwendungsspezifischen Schwachstellen, die sich aus umfassenden Felddaten- und Schadensanalysen ermitteln lassen und deren – oft durch die Kombination von klimatischer und elektrischer Belastung bewirkte – Ausfallmechanismen im Rahmen des Projektes noch detaillierter zu erforschen sind. Dazu stehen dem Konsortium als Alleinstellungsmerkmale ein bereits heute einzigartiger Felddatenbestand aus der Windenergie-Anwendung, Defektkomponenten und der Zugang zu Photovoltaik- und Windenergieanlagen für Feldmessungen zur Verfügung. Im Projekt sollen zudem geeignete Testverfahren zur Bewertung von Materialien, Designmodifikationen und Schutzkonzepten sowie zur Absicherung der Komponentenzuverlässigkeit erarbeitet werden. Ein hohes disruptives Potenzial liegt in der beabsichtigten Entwicklung einer auf die relevanten Ausfallmechanismen fokussierten Zustandsüberwachung, die die bislang auf eine Run-to-failure-Strategie beschränkte Instandhaltung der Umrichter revolutionieren kann.

Projektlaufzeit: 01.03.2020 - 28.02.2023

Gefördert durch: Fraunhofer Gesellschaft

Projektpartner: Fraunhofer IWES, Fraunhofer IISB, Fraunhofer IMWS, Fraunhofer ISE

Forschungsschwerpunkte