Recently, there has been an increasing interest in the electronics world for those aspects related to semiconducting gas sensor (SGS) materials. In view of the increasingly strict legal limits for pollutant gas emissions, there is a great interest in developing high performance gas sensors for applications such as controlling air pollution and exhaust gases in automotive industry. In this way, semiconductor gas sensors offer good advantages with respect to other gas sensor devices, due to their simple implementation, low cost and good stability and sensitivity. The first part of the thesis is dedicated to the synthesis, film structural and sensitivity study of the Tin Oxide film deposited by RF sputtering, doped with noble metal Palladium (Pd). Effects on the Gas Sensitivity due to the deposition parameters like thickness of the film, Substrate temperature, Ar /O2 ratio of the sputtering environment, annealing temperature and duration and doping metal weight % into the Tin Oxide films are studied and the results are shown in detail. The sensitivity and selectivity of the gas sensing film is decided by the operating temperature i.e. the temperature of the gas sensing film while it is in the target gas ambience, Microheaters happen to be the very important component in the gas sensor especially with wide band gap semiconducting metal oxides films such as tin oxide, gallium oxide or indium oxides. Other than gas sensing microheater also finds applications in many areas like thermal dip pen nanolithography, polymerase chain reaction (PCR), fluid pumping with bubbles, in vitro fertilization etc. So in this report due importance was given for the design and fabrication of the microheater. Microheaters are the most power consuming element of the integrated Gas sensors. This is also an important reason for the extensive microheater work in this research. Six different heater patterns were simulated by considering low power and temperature uniformity as an important goals. Among them the best three patterns named Double spiral, “Fan” Shape and “S” shape were chosen for fabrication and both thermal and electrical characterization results of them were presented in detail in the Microheater section of the thesis. It is believed that the intelligent design and integration of the electronic circuitry (for drive, signal conditioning/compensation, and read-out) with the gas sensing element can mitigate some of the significant issues inherent in solid-state gas sensors, such as strong temperature and humidity dependence, signal drift, aging, poisoning, and weak selectivity. The sensitivity of the gas sensors which has been indicated as the dynamic change of resistance in wide range should be read out properly. Towards this aim a low cast high efficient readout circuit is designed and implemented. Temperature monitoring and controlling is a key phenomenon in the metal Oxide based gas sensors since the selectivity mainly depends on the operating temperature of the sensing film. So focus was also shown on the design and implementation of the temperature monitoring and control unit, which been presented in the last part of this thesis.

This thesis discusses the optical diagnostics of electrical motor parts using a 3D scanner. It describes the construction of electrical induction motors, their heat losses, cooling and refrigeration systems that may be used by such motors. It approaches the possibilities of heat recording and briefly explains the 3D scanner’s principal. It also introduces the simulation program ANSYS which uses the finite element method. This thesis shows the post processing of the digitalized object and the simulations and compares the simulation and measurement results. The final part is devoted to the analysis of the obtained results.

Diese Arbeit beschäftigt sich mit drei verschiedenen Temperaturmessmethoden VCE, VGTH sowie über die Messung der thermsichen Impedanz mit 10ms langen Lastimpulsen und vergleicht die Messergebnisse mit zwei Simulatoren. Dabei wird ein Schaltungs- sowie ein Halbleitersimulator verwendet und das bisherige Simulationsmodell angepasst.:Aufgabenstellung Inhaltsverzeichnis Nomenklatur Einleitung 1. Grundlagen 1.1. Halbleitermaterialien 1.2. Dioden Grundlagen 1.2.1. pn-Übergang 1.2.2. Temperaturabhängigkeit der Diffusionsspannung des pn-Übergangs 1.2.3. Diodenstrukturen 1.3. IGBT Grundlagen 1.3.1. Funktionsweise und ESB 1.3.2. Statisches Verhalten des IGBTs 1.4. Messtechnische Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur 1.4.1. VCE(T)- und VGth(T)-Methode 1.4.2. Temperaturreferenzmessung – Kalibrierkennlinie 1.4.3. Wurzel(t)-Methode 1.5. Simulation der virtuellen Sperrschichttemperatur mittels thermischer Ersatzschaltbilder 1.5.1. Thermische Kenngrößen Rth, Cth 1.5.2. Transiente thermische Impedanz Zth 1.5.3. Ersatzschaltbild – Cauer-Netzwerk 1.6. Simulation der virtuellen Sperrschichttemperatur mittels Halbleitersimulator 1.7. Stoßstromereignisse 2. Vormessungen 2.1. Prüflinge 2.2. Messung der Sperrfähigkeit 2.2.1. Testaufbau – Schaltung 2.2.2. Testergebnisse 2.3. Messung des Ausgangskennlinienfeldes/ Durchlassmessungen 2.3.1. Testaufbau – Schaltung 2.3.2. Testergebnisse 2.4. Messung der Transferkennlinie 2.4.1. Testaufbau – Schaltung 2.4.2. Testergebnisse 2.4.3. Bestimmung des “pinch-off”-Bereiches 2.5. Aufnahme der Kalibrierkennlinien 2.5.1. Testaufbau – Schaltung 2.5.2. Testergebnisse 3. Temperaturbestimmung mittels thermischer Impedanz Zth 3.1. Testaufbau – Schaltung 3.2. Testergebnisse 4. Temperaturbestimmung am Stoßstrommessplatz 4.1. Ermittlung der Halbleitertemperatur nach einem Stoßstromereignis 4.1.1. Anpassung des Stoßstrommessplatzes 4.1.2. Pulsmuster VCE(T)-, VGth(T)-Messung 4.1.3. Testergebnisse 4.2. Ermittlung des Halbleitertemperaturverlaufes während des Stoßstromereignisses 4.2.1. Testaufbau - Schaltung 4.2.2. Pulsmuster VCE(T)-, VGth(T)-Messung 4.2.3. Testergebnisse 5. Simulation der Temperaturverläufe 5.1. Temperatursimulation mittels Halbleitersimulator 5.2. Temperatursimulation mittels Cauer-Netzwerk 5.3. Angepasste Temperatursimulation mittels Cauer-Netzwerk 6. Zusammenfassung und Ausblick Anhang Literaturverzeichnis Selbstständigkeitserklärung Danksagung

Das thermische Verhalten von Werkzeugmaschinen verursacht geometrische Abweichungen an Werkstücken. In vielen Forschungsarbeiten wurden wertvolle Beiträge zu deren Verbesserung veröffentlicht. Dabei kommt die Finite-Elemente (FE)- Simulation zum Einsatz. Für diese ist unter anderem der Wärmeübergangskoeffizient als Randparameter notwendig. Insbesondere für Hohlräume, beispielsweise unter der Maschinenverkleidung, gibt es keine Methode diesen schnell zu berechnen. Die vorliegende Arbeit liefert umfangreiche Untersuchungen zu den thermischen Vorgängen in Hohlräumen und deren Auswirkungen auf die thermischen Verlagerungen an Werkzeugmaschinen. Dafür erarbeitet diese Arbeit eine Methode, um Metamodelle für die schnelle Berechnung des Wärmeübergangskoeffizienten in Hohlräumen zu erstellen. Mögliche Hohlraumkonfigurationen werden dafür kategorisiert und für messtechnische Untersuchungen ein Versuchsstand konzipiert. Der Einfluss des Mikroklimas auf die thermischen Verlagerungen wird analysiert. Dabei wird der Einfluss von Konvektion und Strahlung, der Maschinenverkleidung und des Öffnens der Arbeitsraumtüre untersucht. In dieser Arbeit werden zwei Metamodelle erstellt, für einen Hohlraum mit einer Seitenwand als Wärmequelle und für einen Hohlraum mit mittig platzierter Wärmequelle. Die Anwendung der Metamodelle wird mit der thermischen FE-Simulation einer Werkzeugmaschine erläutert und eine Hilfestellung für die Übertragung auf weitere Werkzeugmaschinen gegeben. / The thermal behavior of machine tools causes most of the geometric errors on workpieces. In recent years, many authors published valuable contributions to the analysis, correction and compensation of the thermal behavior of machine tools. One way is the finite element simulation, where the heat transfer coefficient is needed as an input parameter. In particular, for enclosures, for example under the machine housing, there is no method to calculate this coefficient quickly. As state of the art the heat transfer coefficient is received from a computation-intensive fluid simulation of the enclosure. The present work provides investigations of enclosures, the microclimate in enclosures, its effect on the thermal errors of machine tools and finally a method to develop metamodels for the fast calculation of the heat transfer coefficient in enclosures and to use them in the finite element simulation. Possible enclosure configurations are categorized and a test stand is designed for metrological investigations. In basic investigations the thermal processes in different enclosures are analyzed. The influence of the microclimate on thermal errors of machine tools is analyzed in experiments. The influence of convection and radiation, the machine housing and the opening of the working room door are examined. In this work two metamodels are developed. One for an enclosure with a side wall as a heat source and one for an enclosure with a centrally placed heat source. The application of the metamodels is explained in the thermal finite element simulation of a machine tool.

Eine wichtige Eigenschaft von Leistungsdioden ist ihre Stoßstromrobustheit, also die Fähigkeit, einem kurzeitigen hohen Strom standzuhalten. Bei Dioden aus SiC wird dabei häufig auf die MPS-Struktur zurückgegriffen. In dieser Arbeit wird das Stoßstromverhalten von neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden von Infineon untersucht. Dabei wird gemessen, welchem Strom die Dioden bei einem Halbsinus-Puls von 10ms standhalten. Das Ergebnis wird mit der Robustheit herkömmlicher SiC-Schottky-Dioden verglichen. Die Stoßstromrobustheit bei Parallelschaltung wird untersucht. Mittels elektro-thermischer Simulationen werden Möglichkeiten zur Verbesserung der Stoßstromrobustheit der Dioden erörtert. Hierbei wird die Schichtdicke erhöht und Kupfer statt Aluminium als Anodenmetallisierung angenommen. Des Weiteren wird das Simulationsmodell hinsichtlich der Lotschicht und eines reduzierten SiC-Substrats variiert. Die MPS-Dioden weisen bei hohem Strom einen negativen differentiellen Widerstand auf, hervorgerufen durch die Injektion von Minoritätsladungsträgern aus den p-dotierten Gebieten. Die Aktivierung der Injektion von Minoritätsladungsträgern in Abhängigkeit der Größe der p-dotierten Gebiete wird ebenfalls mittels Simulationen untersucht. Ein Vergleich verschiedener Caughey-Thomas-Parameter zur Modellierung der Ladungsträgermobilität in FEM-Bauelementsimulatoren wird durchgeführt. Das Ausschaltverhalten der MPS-Dioden wird unter verschiedenen Bedingungen gemessen. Dazu zählen das Abschalten unter Anwendungsbedingungen, das Abschalten unter Überlast von bis zum fünfzehnfachen Nennstrom, das Abschalten mit hohen Strom- und Spannungssteilheiten und das Abschalten in Parallelschaltung und mit zusätzlicher parasitärer Induktivität. Die Untersuchungen zeigen eine hohe Robustheit der neuen 1200V-SiC-MPS-Dioden. / The surge current ruggedness is an import property of power diodes. In case of SiC diodes this is realized by a Merged-pin-Schottky (MPS) structure. In this thesis the surge current ruggedness of novel 1200V SiC MPS diodes from Infineon is investigated. The maximum current during a half sine surge current pulse of 10ms is determined in measurements for various diodes and compared to the surge current ruggedness of conventional Schottky diodes. Furthermore, the surge current ruggedness in parallel arrangement is measured. By the means of electro-thermal simulations options to improve the surge current ruggedness are investigated. The simulation model is varied concerning the diodes anode metalization layer thickness and material. The layer thickness is increased and the typical aluminum is replaced by copper. Additionally, the influence of the silicon carbide substrate thickness and the solder layer thickness and material on the surge current ruggedness is simulated. The MPS diodes possess a negative differential resistance at high currents caused by the injection of minority carriers by the p-doped regions. The injection of minority carriers in dependence of the size of the p-regions is also examined in simulations. Furthermore, different parameter sets of the the Caughey-Thomas formula to describe the carrier mobility are compared. The turn-off behavior of the diodes is measured under different conditions such as the turn-off from fifteen times the rated current, the turn-off with high current and voltage slopes and the turn-off in parallel arrangement and with additional inductance. The investigation show a high robustness of the novel 1200V SiC MPS diodes.

<p dir="ltr">The adoption of Heterogeneous Integration (HI) technologies in semiconductor packaging to build 2.5D/3D structures has led to increased power densities and material heterogeneity. These structures place a new burden on thermal and mechanical design. Additionally, these structures allow for significantly increased physical design freedom. With more possible layout options as well as tougher thermal constraints, new specialized tools are required to accelerate this type of design.</p><p dir="ltr">To address this problem using traditional finite element analysis Stack3D is presented. Stack3D is a steady-state thermal-mechanical geometry modeling and analysis platform for advanced packaging early design exploration. It is a finite element simulator developed from scratch in Matlab complete with symbolic geometry representation, automatic meshing, chip power map support, and sparse matrix acceleration.</p><p dir="ltr">After the development of Stack3D, methods for further accelerating the simulation process at the cost of solution accuracy were examined. Neural networks were selected as an engine for this task based on their millisecond evaluation time. In order to choose between the training paradigms of Physics Informed and Data Driven neural networks, a series of benchmarks were run to identify Data Driven networks as ideal candidates for steady state heat conduction.</p><p dir="ltr">Last, the first neural network model for fully generalized steady state heat conduction of 3D packages is developed. This is made possible by using the solution to the partial differential equation governing steady state heat conduction and casting the problem into an image-to-image translation framework. After accounting for the third spatial dimension, this allows the use of cutting edge image processing network for the heat conduction problem. After training, the network was able to run tens of thousands of simulations with an average of 0.53\% error and 0.0035 seconds per simulation.</p>

Der thermische Widerstand ist eine wichtige Kenngröße von Silicium-Germanium-Hetero-Bipolartransistoren (SiGe-HBTs). Bisher kam es bei der quantitativen Bestimmung der thermischen Widerstände von SiGe-HBTs zu deutlichen Abweichungen zwischen Simulation und Messung. Der Unterschied zwischen Simulation und Messung betrug bei den untersuchten HBTs mehr als 30 Prozent. Diese Arbeit widmet sich der Aufklärung und Beseitigung der möglichen Ursachen hierfür. Zu diesem Zweck werden als erstes die Messmethoden analysiert. Es zeigt sich, dass die bisher verwendete Extraktionsmethode sensitiv auf den Early-Effekt (Basisweitenmodulation) reagiert. Im Rahmen der Untersuchungen wurde ein neues Extraktionsverfahren entwickelt. Die neue Extraktions­methode ist unempfindlich gegenüber dem Early-Effekt. Mit Bauelemente­simulationen wird erstmalig die Wirkung des Seebeck-Effektes (Thermospannungen) auf die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände demonstriert. Der Seebeck-Effekt bewirkt, dass die elektrisch extrahierten thermischen Widerstände der untersuchten HBTs nahezu 10 Prozent kleiner als die erwarteten Werte sind. Dieser Effekt wurde bisher nicht beachtet und wird hier erstmals nachgewiesen. Weiterhin wird die Abhängigkeit des thermischen Widerstandes vom Arbeitspunkt untersucht. Dabei hat sich gezeigt, dass bis zu einer Basis-Emitter-Spannung von 0,91 Volt die geometrische Form des Wärme abgebenden Gebietes unabhängig vom Arbeitspunkt ist. Anhand von Messungen wird gezeigt, dass die Dotierung die spezifische Wärmeleitfähigkeit von Silicium reduziert. Die Abnahme wird für Dotierungen größer als 1*1019 cm‑3 deutlich sichtbar. Ist die Dotierung größer als 1*1020 cm‑3, beträgt die Abnahme der spezifischen Wärmeleitfähigkeit mehr als 75 Prozent. Mithilfe einer Simulatorkalibrierung wird die spezifische Wärmeleitfähigkeit als Funktion der Dotierung bestimmt. Die erhaltene Funktion kann künftig beim thermischen Entwurf von HBTs verwendet werden. Somit können zukünftig genauere Vorhersagen zum thermischen Widerstand der HBTs gemacht werden. Dies ermöglicht zuverlässigere Aussagen darüber, wie Änderungen des Transistordesigns zur Minimierung des thermischen Widerstandes beitragen. / The thermal resistance is an important parameter of silicon-germanium heterojunction bipolar transistors (SiGe HBTs). Until now, the quantitative determination of the thermal resistance showed significant differences between measurements and simulations. The difference between simulation and measurement of the investigated HBTs was more than 30 percent. This thesis devotes the clarification and elimination of potential sources for it. For this purpose, the measurement methods are analyzed at first. It is shown, that the currently used extraction method is sensitive to the Early effect (basewidth modulation). A now extraction method was developed, which is not sensitive to the Early effect. For the first time, the influence of the Seebeck effect (thermoelectric voltages) on the electrically extracted thermal resistance is shown by device simulations. The Seebeck effect leads to a 10 percent lower extracted thermal resistances compared to the expected values of the investigated HBTs. This effect was not taken into account up to now and is demonstrated here for the first time. Furthermore, the dependence of the thermal resistance on the operating point was investigated. The results show that the shape of the heat source is independent of the operating point if the base emitter voltage is smaller than 0.91 volt. The thermal conductivity of silicon is decreased by increasing doping concentrations. This is shown by measurements. The reduction of the thermal conductivity is well observable for doping concentrations higher than 1*1019 cm‑3. For doping concentration higher than 1*1020 cm‑3 the reduction amounts to more than 75 percent. The thermal conductivity was determined as a function of the doping concentration with the aid of a simulator calibration. This function can be used in the future thermal design of HBTs. It facilitates the optimization of the HBTs with respect to a minimal thermal resistance.