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.

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Die thermoelektrische Energiekonversion auf der Basis des Seebeck-Effekts ist eine Methode zur direkten Erzeugung elektrischer Energie aus thermischer Energie. Für die wesentlichen anwendungsrelevanten Parameter Temperaturbereich, elektrische Leistung und Herstellungskosten sind Materialauswahl und Aufbau der TEG entscheidend. In der vorliegenden Arbeit wurden erstmalig thermoelektrische Oxidkeramiken in monolithischen TEG verwendet, die auf der Grundlage des transversalen thermoelektrischen Effekts arbeiten. Die TEG wurden mit industriell skalierbaren Keramiktechnologien hergestellt, untersucht und hinsichtlich ihrer Parameter detailliert theoretisch und experimentell bewertet. Als Modellsystem für die Materialien wurde La1-xSrxCuO4 in Kombination mit Ag bzw. Ag6Pd1 verwendet. Es konnte belegt werden, dass diese monolithischen TEG im Bereich kleiner elektrischer Leistungen eine vorteilhafte Alternative zu herkömmlichen longitudinalen thermoelektrischen Generatoren sein können.

Die Vorhersage und Identifizierung von stabilen und metastabilen Stoffen ist ein wichtiges Instrument zur Bildung neuer Werkstoffe. Vor diesem Hintergrund gewinnen Konzepte einer rationalen Synthese zunehmend an Bedeutung: Die Berechnung der elektrochemischen Spannungsreihe für Festkörper und flüchtiger Phasen ermöglicht eine einfache Vorhersage der Reaktionswege. Unter Verwendung der elektrochemischen Spannungsreihe der Systeme As / P / O und As / P / X (X = F, Cl, Br, I) kann die Bildung von Elementallotropen über die Oxid- und Halogenidverbindungen in thermitischen Reaktionen abgeleitet werden. Die Analyse der Phasenbildung wird mit einer In-situ-Methode zur Überwachung von Gasphasenreaktionen gewonnen. Im Verlauf der Phasenformationen - zur Erreichung des Fest-Gas-Gleichgewichtes - können charakteristische Effekte beobachtet werden. / The prediction and identification of stable and metastable substances is an important tool to achieve new materials. With this objective in mind, concepts of a rational synthesis are gaining increasing importance: calculation of electromotive series of solids allows easy prediction of reaction pathways. Using the electromotive series of systems As/P/O and As/P/X (X = F, Cl, Br, I) the formation of element allotropes via the oxide and halide compounds in thermite type reactions can be deduced. The analysis of phase formation is acquired with an in situ method for monitoring gas-phase reactions. In the course of phase formations - attaining the solid-gas equilibrium state - characteristic effects can be observed.

Es wird der Eigenschaftsbereich von thermisch modififizierter Kartoffelstärke erweitert und durch viele Proben sowie eine große Probenmenge verififiziert. Ziel ist es neue Möglichkeiten zur Optimierung der Stärke-Prozesskette zu erschließen und somit das industrielle Anwendungsspektrum für den Ausgangsstoff Stärke zu vergrößern. Native und konditionierte Kartoffelstärke werden auf neuartige Weise durch eine (Vakuum-)Mikrowellenbehandlung und durch eine konvektive Ofenbehandlung im Labormaßstab thermisch modififiziert. Um Einflussparameter auf die resultierende Eigenschaftsänderung zu identififizieren, werden das Quellungs- und Lösungsverhalten der Stärkeproben in wässriger Umgebung charakterisiert sowie das Stärkegel mikroskopisch untersucht. Eine Steigerung der variierten Behandlungsparameter (Behandlungsdauer und -temperatur bzw. -leistung) bewirkt unabhängig vom Behandlungsverfahren eine Zunahme der Quellung und der Löslichkeit. Die schlüssige grafifische Darstellung der Ergebnisse offenbart die Unterschiede zwischen den thermischen Verfahren. Bei der Mikrowellenbehandlung verursacht der ungehinderte Eintrag der Feldenergie in die Stärke eine erheblich schnellere Modififikation gegenüber der Ofenbehandlung. Bei der Vakuum-Mikrowellenbehandlung bewirkt der große Dampfdruck-Gradient eine intensivere Behandlung gegenüber der Mikrowellenbehandlung bei Atmosphärendruck. Mit den Verfahren können vorbestimmte Eigenschaften der Kartoffelstärke bewirkt werden, bspw. verursacht die Mikrowellenbehandlung eine geringere Löslichkeit als die Ofenbehandlung. Bei der Ofenbehandlung verringert eine Befeuchtung die Quellung und die Löslichkeit, was ähnlich dem Heat-Moisture-Effekt auf eine Modififikation der Stärkestruktur bei erhöhter Feuchte zusammen mit hoher Temperatur hindeutet. Die mikroskopische Geluntersuchung zeigt Unterschiede des Stärkegels für die verschiedenen Verfahren. Nach der Vakuum-Mikrowellenbehandlung brechen bei der Quellung einzelne Körner im Glasübergangsstadium auf und die Kornfragmente sind als Schlieren sichtbar.

Seit 1996 wird von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach die Buchreihe „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ herausgegeben, in der herausragende wissenschaftliche Beiträge der Technischen Universität Dresden, insbesondere auch des Institutes für Festkörperelektronik, publiziert werden. Zu den bisher vorliegenden Bänden sind seitdem weitere Bände hinzugekommen. Das Profil des Institutes wird durch folgende Forschungsgebiete geprägt: Thermische Infrarotsensoren, Piezoresistive Sensoren auf der Basis quellfähiger Hydrogele, Ultraschalltechnik, Funktionelle Dünnschichten, Nanoptische Sensoren. Mit der Berufung von Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach auf den Lehrstuhl für Festkörperelektronik zum 01.01.1996 wurde das Spektrum der Forschungsarbeiten insbesondere um die Fachgebiete der Siliziumsensoren für unterschiedliche Meßgrößen und des Entwurfs komplexer Sensor- und Aktor-Systeme in der Mikrosystemtechnik erweitert. Das Zusammenwirken von Physik, Elektronik und Technologie der Mikroelektronik bei Forschung, Entwicklung und Fertigung sowie Applikation leistungsfähiger Sensoren ist Gegenstand von Lehre und Forschung des IFE. / Since 1996 the book series „Dresdner Beiträge zur Sensorik“ edited by Prof. Dr.-Ing. habil. Gerald Gerlach has been published. The aim of this series is the publication of outstanding scientific contributions of TU Dresden, especially of those compiled at the Institute for Solid-State Electronics. The Solid-State Electronics Laboratory (Institut für Festkörperelektronik - IFE) is one of 12 laboratories of the Electrical and Computer Engineering Department at Technische Universität Dresden. Together with the Semiconductor Technology and Microsystems Lab and several chairs of the Circuits and Systems and the Packaging Labs, the Solid-State Electronics Laboratory is responsible for the microelectronics specialization in the Electrical Engineering program. Research and teaching field of the Institute for Solid-State Electronics are dedicated to the interaction of physics, electronics and (microelectronics) technology in: materials research, technology, and solid state sensor operational principles, application of sensors for special measurement problems, design of sensors and sensor systems including the simulation of components as well as of complex systems, development of thin films and multilayer stacks for sensor applications, application of ultrasound for nondestructive evaluation, medical diagnostics and process measurement technology.

Thermal oxidation of silicon belongs to the most decisive steps in microelectronic fabrication because it allows creating electrically insulating areas which enclose electrically conductive devices and device areas, respectively. Deal and Grove developed the first model (DG-model) for the thermal oxidation of silicon describing the oxide thickness versus oxidation time relationship with very good agreement for oxide thicknesses of more than 23 nm. Their approach named as general relationship is the basis of many similar investigations. However, measurement results show that the DG-model does not apply to very thin oxides in the range of a few nm. Additionally, it is inherently not self-consistent. The aim of this paper is to develop a self-consistent model that is based on the continuity equation instead of Fick’s law as the DG-model is. As literature data show, the relationship between silicon oxide thickness and oxidation time is governed—down to oxide thicknesses of just a few nm—by a power-of-time law. Given by the time-independent surface concentration of oxidants at the oxide surface, Fickian diffusion seems to be neglectable for oxidant migration. The oxidant flux has been revealed to be carried by non-Fickian flux processes depending on sites being able to lodge dopants (oxidants), the so-called DOCC-sites, as well as on the dopant jump rate.

Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Darstellung von paramagnetischen diskreten mono-, di- und multinuklearen sowie polymeren Koordinationsverbindungen. Der Schwerpunkt dieser Arbeit bildet neben der chemischen und strukturellen Charakterisierung die magnetische Charakterisierung mittels SQUID-Magnetometrie und ESR-Spektroskopie. Für eine Reihe von Koordinationsverbindungen wurden darüber hinaus die thermischen Stabilitäten bzw. das Zersetzungsverhalten als auch die gebildeten Rückstände untersucht. Des Weiteren werden multinukleare Koordinationsverbindungen vorgestellt, die sich der Klasse der „Metallo-dendrimere“ zuordnen lassen. Im Sinne einer konvergenten Dendrimersynthese wurde an Poly(amidoamin)-Dendrimere (PAMAM) carbonsäurefunktionalisierte Bis(oxamat)-Leweis-Basen kovalent angebunden und anschließend mit CuII-Ionen komplexiert. Die so isolierten endständigen mononuklearen Einheiten konnten durch eine weitere Komplexierung mit {Cu(pmdta)}2+-Komplexfragmenten und unter Ausnutzung ihrer flexidentaten Eigenschaften in trinukleare {CuII}3-Einheiten überführt werden. Da die CuII-Ionen aller individuellen {CuII}3-Einheiten über intramolekulare magnetische Austauschwechselwirkungen verfügen, können diese Verbindungen als „Magnetodendrimere“ bezeichnet werden, wobei die magnetischen Eigenschaften sich aus der Summe der individuellen Bausteine zusammensetzen. Ein dendritischer Effekt ist in dieser Dendrimerengröße nicht erkennbar. Ein weiterer Schwerpunkt der Arbeit war die Synthese formiatbasierender NiII-, CoII und CuII- Komplexe und deren magnetischer sowie thermischer Charakterisierung. In der Regel werden mononukleare Komplexe vorgestellt, die im festen Zustand aber auch mittels Wasserstoffbrückenbindungen 1D-, 2D- oder auch 3D-Netzwerke ausbilden. Auf die potentielle Eignung dieser Komplexe als Präkursoren zur Niedertemperaturgenerierung reiner Metalle, wie z.B. in Druck- oder Fügeprozessen, wird eingegangen. Basierend auf die im Rahmen dieser Arbeit erreichten Ergebnissen zu dinukleare NiII-haltigen Formiatkomplexen, wurde ein strukturell analoger NiII- als auch CoII-haltiger Vertreter mit Ferrocenylcarboxylatdonoren synthetisiert und die magnetischen, elektrochemischen und thermischen Eigenschaften bestimmt. Als zusätzliche Weiterentwicklung der Thematik formiathaltiger Komplexverbindungen wurden die 3D-aufgebauten Übergangsmetallformiate [{MII(O2CH)2}∙2H2O] (MII = Mn, Co, Ni) unter solvothermalen Bedingungen mit dem N-Donoren Pyridin umgesetzt. Die so erhaltenen MnII- und CoII-haltigen Edukte sind 2D-aufgebaute Addukte des Typs [M(O2CH)2(py)m]n (M = Mn, m = 2; M =Co, m = 7), die via π-π-Wechselwirkungen ihrer Pyridinliganden 3D-Netzwerke ausbilden. Die Struktur dieser Komplexverbindungen sowie deren Stabilität nach Isolation ihrer Feststoffe werden diskutiert.:Bibliografische Beschreibung und Referat I Ort und Zeitraum der Durchführung III Inhaltsverzeichnis IV Selbständigkeitserklärung VI Präambel VII Abkürzungsverzeichnis VIII Kapitel A – Einleitung 1 Kapitel B – Kenntnisstand 7 1. Carboxylatoliganden als Mediatoren von magnetischen Austauschwechselwirkungen 8 2. Bis(oxamato)-Liganden als Mediatoren von magnetischen Austauschwechselwirkungen 10 3. Dendrimere und der dendritische Effekt 17 4. Der Strukturtyp [M2(O2CR)4(H2O)(LN)2] 25 5. Thermische Zersetzungsreaktionen von Formiatverbindungen und die Reduktion der Zersetzungstemperaturen derer im Allgemeinen 29 6. Motivation 34 C – Publikation: CuII bis(oxamato) end-grafted poly(amidoamine) dendrimers 36 D – Publikation: Tri- (M = CuII) and hexanuclear (M = NiII, CoII) heterometallic complexes with ferrocene monocarboxylate and chelating diamines as ligands 58 E.1 – Publikation: Nickel(II) Formate Complexes with Bi- and Tridentate Nitrogen-based Ligands: Synthesis, Solid State Structures, Thermal and Magnetic Properties 68 E.2 – Weiterführende Diskussion: Das thermische Zersetzungsverhalten von stickstoffhaltigen Metallformiat-Verbindungen 86 F.1 – Poster: Synthesis of poly- and monomeric transition metal complexes with formato and pyridine ligands. 91 F.2 – Vorbereitende Arbeiten für ein Manuskript: Darstellung und kristallografische Beschreibung von 2D-polymeren und diskreten Metall-Pyridin-Komplexen 93 Kapitel G – Zusammenfassung 106 Literaturverzeichnis 110 Danksagung 119 Lebenslauf 120

Aufgrund ihrer herausragenden Eigenschaften haben ultrafeinkörnige Werkstoffe, die aus konventionellen normalkörnigen Halbzeugen über eine extrem große Kaltverformung hergestellt wurden, in den letzten zwei Jahrzehnten zunehmend an Bedeutung erlangt. In der vorliegenden Arbeit wird das Fließspannungsverhalten eines Reinaluminiumwerkstoffes (EN AW-1070 – Al99,7) und einer ausscheidungshärtbaren Aluminiumlegierung (EN AW-6060 – AlMgSi) mit Korngrößen von bis zu 660 nm und 310 nm in einem weiten Bereich von Dehnungen und Dehnraten analysiert und mit den zzt. existierenden Modellvorstellungen zu den mikrostrukturellen Abläufen in Verbindung gebracht. Um die Voraussetzung zur Herstellung von ultrafeinkörnigen Werkstoffen zu schaffen, wurden mehrere Werkzeugprototypen für die ECAP-Umformung im Labormaßstab entwickelt und erprobt. Die Untersuchungen zum Fließspannungsverhalten erfolgten anhand von Zug- und Druckversuchen über insgesamt sieben Dekaden der Dehnrate bis in den Bereich der hochdynamischen Belastung von 10^3 s^-1. Die Tests zeigen, dass das Fließspannungsverhalten ultrafeinkörniger Aluminiumwerkstoffe vollständig mithilfe der thermisch aktivierbaren Mechanismen erklärbar ist, wobei Ausscheidungen eine wichtige Rolle spielen. / Because of their exceptional properties ultrafine-grained materials, processed from conventional polycrystalline materials by severe plastic deformation, have gained increasing scientific and industrial interest during the last two decades. Based on the concept of work-hardening for f.c.c. metals the commercially pure aluminium AA1070 (Al99,7 – soft annealed) and the aluminium alloy AA6060 (AlMgSi – peak aged) were investigated. ECAP was used to introduce very high strains and an ultrafine-grained microstructure with grain sizes down to 660 nm and 310 nm. Subsequently compression and tensile tests were performed in a wide range of strain rates over seven decades up to the range of impact loading of 10^3 s^-1. The results indicate that strain path and the corresponding dislocation structure is important for the post-ECAP yielding and the following hardening response. Furthermore the precipitates of the AA6060 clearly constrain the interactions of dislocations in work-hardening stage III – causing lower strain rate sensitivity. If compared to the AA1070 they avoid hardening in stage V where an additional rate and temperature depending effect contributes – caused by the interaction of deformation induced vacancies and dislocations. The results indicate that the strain-hardening behavior can be described by thermal activated mechanisms.

In Geräten und Anlagen des Stromnetzes werden Steckverbinder mit hoher Stromtragfähigkeit eingesetzt, wenn bewegliche Teile kontaktiert werden oder Betriebsmittel mit geringem Aufwand montier- und demontierbar sein müssen. Die elektrische Verbindung der Leiter wird dabei oft mit federnden Kontaktelementen realisiert. Die Kontaktelemente müssen als Teil der Strombahn während der Lebensdauer des Geräts den Betriebsstrom im Kiloampere-Bereich und im Fehlerfall bis zu einige Sekunden lang den eine Größenordnung höheren Kurzschlussstrom tragen. In der vorliegenden Arbeit wurden Rechenmodelle für die innere Erwärmung von Hochstrom-Kontaktsystemen im stationären Dauerbetrieb und im transienten Kurzschlussfall entwickelt. Das elektrische und mechanische Langzeitverhalten im Temperaturbereich (105…180) °C wurde experimentell mit stromdurchflossenen, fettgeschmierten Modellsteckverbindern, die regelmäßig getrennt und neu gesteckt wurden, untersucht. Modellerstellung, Rechnungen und Versuche wurden beispielhaft mit Kontaktelementen vom Typ Multilam durchgeführt. Kontaktelemente und Leiter bestanden aus versilbertem Kupfer. Für das stationäre Betriebsverhalten wurden die mit der analytischen Spannungs-Temperatur-Beziehung nach Kohlrausch berechneten Ergebnisse mit einem Erwärmungsversuch verifiziert. Die Temperaturdifferenz zwischen Kontaktelement und Leiter ist bei Standardanwendungen, wie in Schaltanlagen, mit ≤ 3 K sehr klein. Deshalb ist die Leitertemperatur als Zielgröße beim Dimensionieren der Dauerstrombelastbarkeit ausreichend. Bei Kurzschlussstrombelastung wurde im Kontaktsystem eine schnelle, räumlich unterschiedlich ausgeprägte Erwärmung numerisch berechnet. Leiter und Kontaktelement erwärmen sich kontinuierlich, wobei die mittlere Endübertemperatur im Kontaktelement aufgrund des kleineren stromtragenden Querschnitts eine Größenordnung höher ist. Die Kontakte führen bei 50 Hz-Wechselstrom aufgrund ihrer vernachlässigbaren Wärmekapazität 100 Hz-Temperaturzyklen aus. Dabei können die Maximaltemperaturen noch deutlich größer als die mittlere Temperatur der Kontaktelemente sein. Im Langzeitversuch waren nach 16 000 h Betriebszeit bei 180 °C und regelmäßigen simulierten Steckvorgängen die Verbindungskräfte noch genügend groß, um die elektrischen Anforderungen eines neuen Kontaktsystems zu erfüllen. Allerdings führte bei einer Betriebstemperatur von 105 °C ein thermisch instabiles Schmierfett zum vorzeitigen elektrischen Ausfall eines Teils der Steckverbinder.:Einleitung Hochstrom-Kontaktsysteme – Stand der Technik Theorie der Kontakte bei hoher Strombelastung Stationäres elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Transientes elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Langzeitverhalten Zusammenfassung Ausblick / Switchgear and devices for the power grid use high-power connectors if moving parts have to be contacted or equipment shall be easily mountable and dismountable. The electrical connection of the conductors is often realized by spring-loaded contact elements. As part of the main circuit, contact elements must carry the full operating current in the kiloampere-range for the entire service life of the device. In case of a fault, the short-circuit current, which is one order of magnitude larger, has to be carried for up to several seconds. In this thesis, calculation models for the inner temperature rise of high-power contact systems in steady-state continuous operation, as well as for the transient short-circuit load case were developed. Electrical and mechanical long-term performance in the temperature range from 105 to 180 °C was experimentally investigated with current carrying, grease-lubricated model connectors which were regularly unplugged and replugged. Modelling, calculations and experiments were exemplarily carried out with Multilam contact elements. Conductors and contact element consisted of silver-plated copper. The analytical voltage-temperature relation was used to calculate the steady-state performance; calculations were verified with a temperature-rise test. The temperature difference from contact element to conductors is very small (≤ 3 K) for standard applications like switchgear. Thus, it is sufficient to use the conductor temperature as a criterion for the design of the continuous ampacity of high-power contact systems. At short-time load, a fast spatially inhomogeneous temperature rise was numerically calculated. Conductor and contact element continuously heat up; due to the smaller current carrying cross section, median final temperature rise in the contact element is one order of magnitude larger than in the conductors. Because of their negligible thermal capacity, contacts perform 100 Hz temperature cycles at 50 Hz AC load; the maximum contact temperatures may be significantly higher than the median temperature of the contact elements. In the long-term test, after 16 000 h operating time at 180 °C and regular plugging operations, contact elements maintained enough joint force to meet the requirements of a new contact system. At 105 °C however, a thermally instable grease led to electrical failure of part of the connectors.:Einleitung Hochstrom-Kontaktsysteme – Stand der Technik Theorie der Kontakte bei hoher Strombelastung Stationäres elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Transientes elektrisch-thermisches Betriebsverhalten Langzeitverhalten Zusammenfassung Ausblick