The origin and evolution of granites has been widely studied because granitoid rocks constitute a major portion of the Earth ́s crust. The formation of granitic magma is, besides temperature mainly triggered by the water content of these rocks. The presence of water in magmas plays an important role due to the ability of aqueous fluids to change the chemical composition of the magma. The exsolution of aqueous fluids from melts is closely linked to a fractionation of elements between the two phases. Then, aqueous fluids migrate to shallower parts of the Earth ́s crust because of it ́s lower density compared to that of melts and adjacent rocks. This process separates fluids and melts, and furthermore, during the ascent, aqueous fluids can react with the adjacent rocks and alter their chemical signature. This is particularly impor- tant during the formation of magmatic-hydrothermal ore deposits or in the late stages of the evolution of magmatic complexes. For a deeper insight to these processes, it is essential to improve our knowledge on element behavior in such systems. In particular, trace elements are used for these studies and petrogenetic interpretations because, unlike major elements, they are not essential for the stability of the phases involved and often reflect magmatic processes with less ambiguity. However, for the majority of important trace elements, the dependence of the geochemical behavior on temperature, pressure, and in particular on the composition of the system are only incompletely or not at all experimentally studied. Former studies often fo- cus on the determination of fluid−melt partition coefficients (Df/m=cfluid/cmelt) of economically interesting elements, e.g., Mo, Sn, Cu, and there are some partitioning data available for ele- ments that are also commonly used for petrological interpretations. At present, no systematic experimental data on trace element behavior in fluid−melt systems as function of pressure, temperature, and chemical composition are available. Additionally, almost all existing data are based on the analysis of quenched phases. This results in substantial uncertainties, particularly for the quenched aqueous fluid because trace element concentrations may change upon cooling. The objective of this PhD thesis consisted in the study of fluid−melt partition coefficients between aqueous solutions and granitic melts for different trace elements (Rb, Sr, Ba, La, Y, and Yb) as a function of temperature, pressure, salinity of the fluid, composition of the melt, and experimental and analytical approach. The latter included the refinement of an existing method to measure trace element concentrations in fluids equilibrated with silicate melts di- rectly at elevated pressures and temperatures using a hydrothermal diamond-anvil cell and synchrotron radiation X-ray fluorescence microanalysis. The application of this in-situ method enables to avoid the main source of error in data from quench experiments, i.e., trace element concentration in the fluid. A comparison of the in-situ results to data of conventional quench experiments allows a critical evaluation of quench data from this study and literature data. In detail, starting materials consisted of a suite of trace element doped haplogranitic glasses with ASI varying between 0.8 and 1.4 and H2O or a chloridic solution with m NaCl/KCl=1 and different salinities (1.16 to 3.56 m (NaCl+KCl)). Experiments were performed at 750 to 950◦C and 0.2 or 0.5 GPa using conventional quench devices (externally and internally heated pressure vessels) with different quench rates, and at 750◦C and 0.2 to 1.4 GPa with in-situ analysis of the trace element concentration in the fluids. The fluid−melt partitioning data of all studied trace elements show 1. a preference for the melt (Df/m < 1) at all studied conditions, 2. one to two orders of magnitude higher Df/m using chloridic solutions compared to experiments with H2O, 3. a clear dependence on the melt composition for fluid−melt partitioning of Sr, Ba, La, Y, and Yb in experiments using chloridic solutions, 4. quench rate−related differences of fluid−melt partition coefficients of Rb and Sr, and 5. distinctly higher fluid−melt partitioning data obtained from in-situ experiments than from comparable quench runs, particularly in the case of H2O as starting solution. The data point to a preference of all studied trace elements for the melt even at fairly high salinities, which contrasts with other experimental studies, but is supported by data from studies of natural co-genetically trapped fluid and melt inclusions. The in-situ measurements of trace element concentrations in the fluid verify that aqueous fluids will change their composition upon cooling, which is in particular important for Cl free systems. The distinct differences of the in-situ results to quench data of this study as well as to data from the literature signify the im- portance of a careful fluid sampling and analysis. Therefore, the direct measurement of trace element contents in fluids equilibrated with silicate melts at elevated PT conditions represents an important development to obtain more reliable fluid−melt partition coefficients. For further improvement, both the aqueous fluid and the silicate melt need to be analyzed in-situ because partitioning data that are based on the direct measurement of the trace element content in the fluid and analysis of a quenched melt are still not completely free of quench effects. At present, all available data on element complexation in aqueous fluids in equilibrium with silicate melts at high PT are indirectly derived from partitioning data, which involves in these experiments assumptions on the species present in the fluid. However, the activities of chemical components in these partitioning experiments are not well constrained, which is required for the definition of exchange equilibria between melt and fluid species. For example, the melt-dependent variation of partition coefficient observed for Sr imply that this element can not only be complexed by Cl− as suggested previously. The data indicate a more complicated complexation of Sr in the aqueous fluid. To verify this hypothesis, the in-situ setup was also used to determine strontium complexation in fluids equilibrated with silicate melts at desired PT conditions by the application of X-ray absorption near edge structure (XANES) spectroscopy. First results show a strong effect of both fluid and melt composition on the resulting XANES spectra, which indicates different complexation environments for Sr. / Die Entstehung und Entwicklung von Graniten steht seit Jahrzehnten im Fokus vieler geologischer Studien, da sich die Erdkruste zu großen Teilen aus granitoiden Gesteinen zusammensetzt. Von besonderer Bedeutung für die Bildung von granitischen Schmelzen ist neben der Temperatur, der Wassergehalt der Schmelze, da dieser Parameter die chemische Zusammensetzung der Schmelze entscheidend verändern kann. Die Entmischung wässriger Fluide aus Schmelzen führt zur Neuverteilung von Elementen zwischen diesen Phasen. Bedingt durch die geringere Dichte des wässrigen Fluids im Vergleich zur Schmelze und dem Nebengestein, beginnt dieses aus tieferen Erdschichten aufzusteigen. Damit verknüpft ist nicht nur eine räumliche Trennung von Schmelze und Fluid, sondern auch die Alterierung des Nebengestein. Dieser Prozess ist insbesondere bei der Bildung von magmatisch-hydrothermalen Lagerstätten und in späten Entwicklungsstadien magmatischer Komplexe wichtig. Für ein detailliertes Verständnis dieser Prozesse ist es notwendig, das Elementverhalten in solchen Systemen in Abhängigkeit von Parametern wie Temperatur, Druck und chemischer Zusammensetzung des Systems experimentell zu untersuchen, und Elementverteilungskoeffizienten als Funktion dieser Variablen zu bestimmen. Für die Untersuchungen sind insbesondere Spurenelemente geeignet, da diese im Gegensatz zu Hauptelementen nicht essentiell für die Stabilität weiterer auftretender Phasen sind, aber sehr sensibel auf Änderungen intensiver Variablen reagieren können. Zudem werden bei geochemischen Mineral- und Gesteinsanalysen viele Spurenelemente, Spurenelementverhältnisse, und Spurenelementisotope als petrogenetische Indikatoren verwendet, d.h. diese Daten liefern Informationen darüber, wann und in welcher Tiefe und bei welchen chemischen Bedingungen ein Gestein gebildet worden ist, und welche weiteren Prozesse es auf dem Weg zur Erdoberfläche durchlaufen hat. Allerdings sind für vie- le Spurenelemente die Abhängigkeiten der Verteilung zwischen Fluiden und Schmelzen von intensiven Variablen nicht, oder nur unzureichend experimentell untersucht worden. Zusätzlich dazu basiert die Mehrheit der experimentell gewonnenen Verteilungskoeffizienten und deren Interpretation, insbesondere hinsichtlich der Elementkomplexierung im Fluid, auf der Analyse von schnell abgekühlten Phasen. Bisher ist nicht geklärt, ob solche Analysen repräsentativ sind für die Zusammensetzungen der Phasen bei hohen Drücken und Temperaturen. Das Ziel dieser Studie war die Erarbeitung eines experimentellen Datensatzes zur Spu- renelementverteilung zwischen granitischen Schmelzen und wässrigen Fluiden in Abhängigkeit von der Schmelzzusammensetzung, der Salinität des Fluids, des Drucks und der Temperatur. Ein Hauptanliegen der Arbeit bestand in der Weiterentwicklung einer experimentellen Methode bei welcher der Spurenelementgehalt im Fluid in-situ, d.h. unter hohen Drücken und Temperaturen, und im Gleichgewicht mit einer silikatischen Schmelze bestimmt wird. Die so gewonnenen Daten können anschließend mit den Resultaten von Abkühlexperimenten vergli- chen werden, um diese und auch Literaturdaten kritisch zu bewerten. Die Daten aller unter- suchten Spurenelemente dieser Arbeit (Rb, Sr, Ba, La, Y und Yb) zeigen: 1. unter den untersuchten Bedingungen eine Präferenz für die Schmelze unabhängig von der chemischen Zusammensetzung von Schmelze und Fluid, Druck oder Temperatur, 2. die Verwendung von chloridhaltigen Fluiden kann die Verteilungskoeffizienten um 1 bis 2 Größenordnungen anheben und 3. für die Verteilungskoeffizienten von Sr, Ba, La, Y und Yb eine starke Abhängigkeit von der Schmelzzusammensetzung im chloridischen System. Der Vergleich der Daten der verschiedenen Methoden zeigt, dass insbesondere für chloridfreie Fluide große Diskrepanzen zwischen den in-situ Daten und Analysen von abgeschreckten Proben bestehen. Dieses Ergebnis beweist eindeutig, dass beim Abschrecken der Proben Rückreaktionen stattfinden, und dass Daten, welche auf Analysen abgeschreckter Fluide basieren, nur eingeschränkt verwendet werden sollten. Die Variation der Verteilungskoeffizienten von Sr, Ba, La, Yb, und Y als Funktion der Schmelzzusammensetzung ist entweder auf eine Änderung der Komplexierung im Fluid und/oder einen anderen veränderten Einbau dieser Elemente in die Schmelze zurückzuführen. Daher wurde im Rahmen dieser Arbeit erstmals versucht, die Elementkomplexierung in silikatischen Fluiden direkt bei hohen Temperaturen und Drücken zu bestimmen. Die Daten für Sr zeigen, dass abhängig von der Schmelzzusammensetzung unterschiedliche Komplexe stabil sein müssen.

In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept einer druckbasierten Analyse von Fest-Gas-Gleichgewichten hinsichtlich theoretischer wie experimenteller Zusammenhänge untersucht. Hierfür erfolgt eine gezielte Nutzung der Beziehungen von theoretischen und experimentell zugänglichen physikalischen Parametern, um so die Grundlage für eine spätere Anwendung im Kontext der Syntheseplanung zu ermöglichen. Im Speziellen handelt es sich im vorgestellten Konzept um die aus festkörperanalytischer Sicht häufig vernachlässigte Beziehung zwischen dem Dampfdruck von Festkörpern und dem chemischen Potenzial. Neben der theoretischen Erarbeitung des Analysekonzeptes befasst sich die vorgestellte Arbeit zusätzlich mit dessen experimenteller Umsetzung anhand der Entwicklung bzw. Optimierung der Analyseverfahren der Hochtemperatur-Gasphasenwaage sowie des automatisierten Membrannullmanometers. Abgeschlossen wird die Arbeit zudem durch die anschauliche Vorstellung der praktischen Anwendung des Konzeptes hinsichtlich unterschiedlicher Fragestellungen (Theorie vs. Experiment: Quecksilber/Phosphor/Iod, Analyse der Phasenbildung: Arsen/Phosphor, rationale Syntheseplanung: IrPTe, Syntheseoptimierung: Bi13P3I7, Kinetik: FeAs).

In der vorliegenden Arbeit wird das Konzept einer druckbasierten Analyse von Fest-Gas-Gleichgewichten hinsichtlich theoretischer wie experimenteller Zusammenhänge untersucht. Hierfür erfolgt eine gezielte Nutzung der Beziehungen von theoretischen und experimentell zugänglichen physikalischen Parametern, um so die Grundlage für eine spätere Anwendung im Kontext der Syntheseplanung zu ermöglichen. Im Speziellen handelt es sich im vorgestellten Konzept um die aus festkörperanalytischer Sicht häufig vernachlässigte Beziehung zwischen dem Dampfdruck von Festkörpern und dem chemischen Potenzial. Neben der theoretischen Erarbeitung des Analysekonzeptes befasst sich die vorgestellte Arbeit zusätzlich mit dessen experimenteller Umsetzung anhand der Entwicklung bzw. Optimierung der Analyseverfahren der Hochtemperatur-Gasphasenwaage sowie des automatisierten Membrannullmanometers. Abgeschlossen wird die Arbeit zudem durch die anschauliche Vorstellung der praktischen Anwendung des Konzeptes hinsichtlich unterschiedlicher Fragestellungen (Theorie vs. Experiment: Quecksilber/Phosphor/Iod, Analyse der Phasenbildung: Arsen/Phosphor, rationale Syntheseplanung: IrPTe, Syntheseoptimierung: Bi13P3I7, Kinetik: FeAs).

Lastwechseltests stellen eine standardisierte und etablierte Methode zur Zuverlässigkeitsbewertung und Produktqualifizierung in der Leistungselektronik dar. Sie basieren auf der Applikation von wiederkehrenden Laststromimpulsen, welche im Leistungsbauelement in zyklischen Temperaturschwankungen umgesetzt werden. Die dabei induzierten thermo-mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der im Verbundsystem beteiligten Fügepartner, führen letztendlich zu den typischen Versagensmechanismen in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Herkömmliche Lastwechseltests bilden allerdings die komplexen Belastungssituationen unter Feldbedingungen, in welchen unterschiedliche Lastfaktoren simultan auftreten, nur ungenügend nach. Im Kontext der Einführung neuartiger Bauelement- und Package-Technologien, rauer werdenden Umgebungsbedingungen sowie steigenden Zuverlässigkeits- und funktionalen Sicherheitsanforderungen ergibt sich somit der Bedarf an verbesserten Methoden zur Zuverlässigkeitstestbewertung. Ein möglicher Ansatz besteht in der Kombination verschiedener Belastungsarten, mit dem Ziel, Testeffizienz sowie Testabdeckung zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher unter Verwendung eines selbstentwickelten Lastwechselteststandes systematische Lastwechseltestuntersuchungen, sowohl in standardmäßiger Ausführung als auch mit überlagerten passiven Temperaturzyklen, an diskreten Leistungsbauelementen durchgeführt. Neben der Untersuchung unterschiedlicher Sperrschichttemperaturprofile erfolgte auch ein Vergleich unterschiedlicher Bauelementtypen. Auf Basis einer qualitativen und quantitativen Testauswertung wurden belastungsbasierte Lebensdauermodelle aufgestellt. Dabei zeigte sich, dass die den Standard-Lastwechseltests zugrunde-liegenden Lebensdauermodelle nicht die Testergebnisse der überlagerten Lastwechseltests vorhersagen konnten. Die Ursache dafür lag im temperaturabhängigen Werkstoffverhalten der Moldmasse begründet, welches Einfluss auf den dominierenden Fehlermodus Bonddrahtabheber hat. Daher wird die Verwendung von fall-sensitiven Lebensdauermodellen vorgeschlagen, da somit die veränderte Schädigungsphysik beim Überschreiten des Glasüberganges der Moldmasse berücksichtigt werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit eine neue Methode zur optischen in-situ-Untersuchung von Leistungsbauelementen vorgestellt, welche zukünftig die Untersuchung von thermisch-transienten sowie thermo-mechanischen Vorgängen unter aktiver Belastung erlaubt.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis / Active power cycling tests represent a standardized and well-established method for reliability evaluation and product qualification in power electronics. They are based on the application of recurring load current pulses, which are converted into cyclic temperature swings in the power component. The thereby induced thermo-mechanical stress, caused by the different material properties of the joining partners involved in the composite system, ultimately leads to the typical failure modes and mechanisms in the devices. However, these conventional tests do not sufficiently stimulate the complex load schemes in field operations in which different load factors occur simultaneously. In the context of the introduction of novel device and package technologies, increasingly harsh environmental operation conditions as well as increasing reliability and functional safety requirements, there is a need for improved reliability test methods. One possible approach is the combination of different load factors in order to increase test efficiency and test coverage. Within the scope of this thesis, systematic reliability investigations, including standard power cycling tests as well as power cycling tests superimposed with passive thermal cycles, were therefore carried out on discrete power components using a self-developed test rig. In addition to the investigation of different junction temperature profiles, a comparison of different component types was performed. On the basis of a qualitative and quantitative test evaluation, load-based lifetime models were derived. It was found that the lifetime models determined on the basis of the standard power cycling tests could not predict the test results of the superimposed power cycling tests. The reason for this was the influence of the temperature-dependent material behaviour of the moulding com-pound, which has an influence on the failure mode wire-bond lift-off. Based on these findings, the use of case-sensitive lifetime models is suggested that are able to take the changed damage physics into account. In addition, a new method for the optical in-situ investigation of moulded power devices is presented, which allows the investigation of thermal-transient as well as thermo-mechanical processes in the package under active loading conditions.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis