Optimale Temperatur von Halbleitern (in Leistungselektronik)

[Finn R. (finn_der_ii)]

Halbleiter stehen ja oft unter hoher Belastung und erwärmen/erhitzen 
sich dabei unter Umständen auch sehr stark. Meine Frage an euch wäre, ob 
es für Halbleiter eine optimale Temperatur gibt, bei der die Lebensdauer 
möglichst hoch ist? Kann man sagen, je kälter, desto länger halten sie 
oder ist diese Pauschalaussage nicht richtig. Ich denke bei den 
aktuellen Aussentemperaturen in erster Linie an Solar-Wechselrichter, 
DC/DC-Wandler, ...

[Falk B. (falk)]

Finn R. schrieb:
> Halbleiter stehen ja oft unter hoher Belastung und erwärmen/erhitzen
> sich dabei unter Umständen auch sehr stark. Meine Frage an euch wäre, ob
> es für Halbleiter eine optimale Temperatur gibt, bei der die Lebensdauer
> möglichst hoch ist?

Möglichst niedrig und möglichst konstant.

> Kann man sagen, je kälter, desto länger halten sie

Wenn man nicht gerade über kryogene Temperaturen spricht, dann ja.

> oder ist diese Pauschalaussage nicht richtig. Ich denke bei den
> aktuellen Aussentemperaturen in erster Linie an Solar-Wechselrichter,
> DC/DC-Wandler, ...

Man könnte solche Leistungshalbleiter auf 25°C Chiptemperatur halten, 
dazu braucht es halt aktive Kühlung incl. Peltier oder Wärmepumpe. Dann 
halten die vermutlich 10x so lange. Aber wer will das schon? Was lange 
hält bringt uns kein Geld. Und der Aufpreis für die Kühlung ist auch 
relativ hoch, dazu kommt eine mögliche Fehler- und Verschleißquelle.

Je nach Anwendung, Zuverlässigkeitsanforderung und angepeilter 
Lebensdauer hat man so Chiptemperaturen bei Leitstungshalbleitern von 
vielleicht 80-130°C. Darunter lohnt sich der Kühlaufwand meistens nicht, 
darüber geht nicht viel mehr ohne radikale Lebensdauerverkürzung.

Wie immer gilt auch hier, so heiß wie möglich, so kühl wie nötig.

[Rainer W. (rawi)]

Finn R. schrieb:
> Ich denke bei den aktuellen Aussentemperaturen in erster Linie an
> Solar-Wechselrichter, DC/DC-Wandler, ...

Wenn es um die Lebensdauer geht, solltest du mindestens genauso besorgt 
um die in oben genannten Geräten verbauten Elektrolytkondensatoren sein.

[Gerhard O. (gerhard_)]

In meiner Lehrzeit behauptete ein Kollege, man könnte jeden 
Stereoverstärker mit voller 10Hz Rechteckanssteuerung "töten". Der Grund 
- die thermische dynamische mechanische Stressbelastung die mit der Zeit 
die Strukturen der Leistungshalbleiter beeinträchtigt. Ob das 
Laborlatein war, entzieht sich mir. Bis jetzt ist bei mir nur ein Sanken 
Leistung Modul eines JVC Steuergeräts ausgefallen. Diskrete Verstärker 
noch nie. Das 10Hz Experiment habe ich nur zur Überprüfung eines 
Verstärkers gemacht.

[Johannes F. (jofe)]

Finn R. schrieb:
> Ich denke bei den
> aktuellen Aussentemperaturen in erster Linie an Solar-Wechselrichter,
> DC/DC-Wandler, ...

Zumindest größere solcher Geräte verfügen über eine temperaturgeregelte 
Zwangskühlung. Ist die Umgebung heißer, laufen die Lüfter stärker. Daher 
sollte sich in gewissen Grenzen die Umgebungstemperatur wenig bis kaum 
auf die Halbleitertemperatur auswirken.

[Finn R. (finn_der_ii)]

Danke euch

[Bradward B. (Firma: Starfleet) (ltjg_boimler)]

>  ob
> es für Halbleiter eine optimale Temperatur gibt, bei der die Lebensdauer
> möglichst hoch ist? Kann man sagen, je kälter, desto länger halten sie
> oder ist diese Pauschalaussage nicht richtig.

Falls man mit dem Fachbegriff dafür weiter recherchieren möchte, der 
lautet "derating":
* https://en.wikipedia.org/wiki/Derating


Macht man nicht nur bei der Temperatur sondern auch gern bei anderen 
Parameter wie Nennspannung von Kondensatoren.
Nicht "auf Kante nähen" sondern Parameter "tief in den grünen Bereich" 
setzen. Das hilft auch bei der Optimierung der MTBF.

Eine Daumenregeln für die Arbeits-temperatur sind 50% bis 70% der 
zulässigen Sperrschichttemperatur. Rechenbeispiele bspw: 
https://www.emea.lambda.tdk.com/il/KB/How-to-improve-power-supply-MTBF-and-reliability.pdf 
(auch Anhang).