The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations. / Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.

The knowledge about the reliability of power electronics is necessary for the design of converters. Especially for offshore applications it is essential to know, which fatigue processes happen and how the lifetime can be estimated. Numerical simulation is an important tool for the development of power electronic systems. This thesis analyse the thermal and thermal-mechanical behaviour of packages for power semiconductor devices with the help of simulations. One topic is the evaluation of different thermal models. The main focus is on the description of the thermal cross-coupling between the devices and the influence to the lifetime estimation. The power module is a well established package for power semiconductor devices. It will be explained how the heating period of power cycles influences the failure mode of this package type. Additionally, it will evaluated how SiC devices and DAB substrates influence the power cycling capability. The press-pack is in focus for high power applications as the package short-circuits during an electrical failure without external auxiliary systems. However, the knowledge about the power cycling behaviour is currently limited. With the help of simulations this behaviour will be analysed and possible weak points will be also derived. In the end of the work it will be discussed, how the lifetime can be estimated with help of FEM simulations. / Für die Entwicklung von Umrichtern ist die Kenntnis über die Zuverlässigkeit der Leistungselektronik ein wichtiges Kernthema. Insbesondere für Offshore-Anwendungen ist das Wissen über die stattfindenden Ermüdungsprozesse und die Abschätzung der zu erwartenden Lebensdauer der Bauteile essentiell. Hierfür hat sich die Simulation als ein wichtiges Werkzeug für die Entwicklung und Lebensdauerbewertung von leistungselektronischen Anlagen etabliert. In der folgenden Arbeit wird das thermische und das thermisch-mechanische Verhalten der Leistungselektronik mittels Simulationen untersucht. Hierzu wird ein Vergleich zwischen verschiedenen thermischen Modellen für Leistungsbauelemente durchgeführt. Schwerpunkt ist die Beschreibung der thermischen Kopplung zwischen den Chips und deren Einfluss auf die Lebensdauerabschätzung. Ein weiterer Schwerpunkt ist das Leistungsmodul, welches sich als ein Standardgehäuse etabliert hat. Dazu wird erklärt, wie die Variation der Einschaltzeit im aktiven Lastwechseltest den Fehlermodus dieses Gehäusetyps beeinflusst. Weiterhin wird untersucht, wie SiC als Leistungshalbleiter und DAB als Substrat die Zuverlässigkeit beein- flusst. Der Press-Pack ist für Hochleistungsapplikationen von hohem Interesse, da dieses Gehäuse im elektrischen Fehlerfall ohne äußere Unterstützung kurzschliesst. Jedoch ist das Wissen über diese Gehäusetechnologie unter aktiven Lastwechselbedingungen sehr limitiert. Mit Hilfe von Simulationen wird dieses Verhalten untersucht und mögliche Schwachpunkte abgeleitet. Am Ende der Arbeit werden Möglichkeiten untersucht, wie Mithilfe von FEM Simulationen die Lebensdauer von Leistungsmodulen evaluiert werden kann.

Eine kompakte Integration der Leistungselektronik in einem Fahrzeuggetriebe des Hybridfahrzeugs stellt hohe Anforderungen an die Lastwechselfestigkeit der Halbleiter-Leistungsmodule. Gefordert wird die Auslegung für die Kühlmitteltemperatur von 125°C und für die Sperrschichttemperatur von 200°C. Für die Untersuchung der Lastwechselfestigkeit bei geforderten hohen Temperaturen werden neue Prüfstandskonzepte und Messmethoden vorgestellt. Mit realisierten Testständen wird die Lastwechselfestigkeit der neuen Aufbau- und Verbindungstechnologien „gehärtete Aluminiumbonddrähte”, „Diffusionslöten”, „Lötung mit vertikalen Strukturen” und „Niedertemperatur-Verbindungstechnik” untersucht. / High power density of the power electronics in a hybrid electric vehicle demands a high power cycling capability of the semiconductor power module. Requirements are: 125°C coolant and 200°C junction temperature. For the investigation of the power cycling capability at high temperatures new test benches and measurement methods are introduces. With realized methods the reliability of following new interconnection technologies is investigated: doped aluminium bond wires, diffusion soldering, solder layer with vertical microstructures, low temperature sinter technology.

Eine kompakte Integration der Leistungselektronik in einem Fahrzeuggetriebe des Hybridfahrzeugs stellt hohe Anforderungen an die Lastwechselfestigkeit der Halbleiter-Leistungsmodule. Gefordert wird die Auslegung für die Kühlmitteltemperatur von 125°C und für die Sperrschichttemperatur von 200°C. Für die Untersuchung der Lastwechselfestigkeit bei geforderten hohen Temperaturen werden neue Prüfstandskonzepte und Messmethoden vorgestellt. Mit realisierten Testständen wird die Lastwechselfestigkeit der neuen Aufbau- und Verbindungstechnologien „gehärtete Aluminiumbonddrähte”, „Diffusionslöten”, „Lötung mit vertikalen Strukturen” und „Niedertemperatur-Verbindungstechnik” untersucht. / High power density of the power electronics in a hybrid electric vehicle demands a high power cycling capability of the semiconductor power module. Requirements are: 125°C coolant and 200°C junction temperature. For the investigation of the power cycling capability at high temperatures new test benches and measurement methods are introduces. With realized methods the reliability of following new interconnection technologies is investigated: doped aluminium bond wires, diffusion soldering, solder layer with vertical microstructures, low temperature sinter technology.