Modellierung verteilter physikalischer Koppeleffekte in Leistungs-Bauelementen und Modulen

Abstract:
Die beeindruckenden steten Fortschritte, die im Bereich der elektronischen Leistungsbauelemente zu verzeichnen sind, beruhen nicht zuletzt auf der physikalischen Modellierung und realitätsgetreuen Computersimulation ihres Betriebsverhaltens. Dies ermöglicht zum einen die Visualisierung und detaillierte Analyse der Bauelementfunktion unter verschiedenartigsten Betriebsbedingungen, sogar am Rande und jenseits des sicheren Arbeitsbereiches. Zum anderen wird der Entwicklungsingenieur dabei unterstützt, unter gegebenen technologischen und ökonomischen Randbedingungen ein optimales Design der Bauteile und hieraus aufgebauter Module und Komponenten zu finden. Auf diese Weise kann der traditionelle experimentelle Weg über iterierte "Versuch-Irrtum-Redesign"-Zyklen durch ein weitaus kostengünstigeres und zeitsparendes "virtuelles Experimentieren und Testen" auf dem Computer ersetzt werden. Eine praxistaugliche Methodik für die physikalisch-basierte Modellierung und prädiktive Simulation μß dem Umstand Rechnung tragen, daß eine realitätstreue Beschreibung des Bauelement- und Modulverhaltens sich nicht allein auf die rein elektrische Funktion beschränken darf. Vielmehr sind eine Vielzahl von Wechselwirkungen zwischen elektrischem Verhalten und thermischem Verhalten, dem Einfluß mechanischer Größen wie Vibrationen oder thermomechanischer Spannungen sowie fluidischer Größen bei den Kühlkomponenten in selbstkonsistenter Weise miteinzubeziehen. Für derartige Koppeleffekte zwischen unterschiedlichen Energieformen existieren zwar physikalisch korrekte Modellansätze ("Multi-Physics"-Modelle), ihre Implementierung in Simulationsplattformen ist aber bislang nur für elektrothermische Probleme zufriedenstellend gelöst.