Processing

Please wait...

Settings

Settings

Goto Application

1. WO2011003917 - MONITORING THE EFFECTIVE AGE OF ELECTRONIC COMPONENTS OR ASSEMBLIES

Note: Text based on automatic Optical Character Recognition processes. Please use the PDF version for legal matters

[ DE ]

Beschreibung

Überwachung des effektiven Lebensalters von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von elektronischen Bauteilen oder elektronischen Baugruppen .

Elektronische Bauteile und Baugruppen der Leistungselektronik von Kraftfahrzeugen sind in Abhängigkeit von den jeweiligen Fahrzuständen (Häufigkeit, Dauer, Geschwindigkeit, Umgebungstemperatur usw.) unterschiedlichen Lastzyklen ausgesetzt. Dabei treten über die Lebensdauer der Bauteile und Baugruppen der Leistungselektronik eines Fahrzeugs üblicherweise extrem häufige, jedoch je nach Fahrzuständen unterschiedliche Temperaturschwankungen an den einzelnen Bauteilen und Baugruppen auf. Die maximal erreichbare Lebensdauer von Bauteilen und Baugruppen hängt dabei beispielsweise von der Häufigkeit und Größe von Temperaturschwankungen in kritischen Bereichen wie Bonddrahtverbindungen oder Lotverbindungen zwischen Leistungsbauteilen und Substraten oder Kühlkörpern von Baugruppen ab .

Nach dem Stand der Technik gibt es keine Verfahren zur Bestimmung der tatsächlichen Lebensdauer der Leistungselektronik oder Teilen davon in Kraftfahrzeugen, da eine exakte Messung der vom tatsächlichen Nutzungsgrad abhängigen Alterung bislang nicht vorgesehen war.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von elektronischen Bauteilen oder elektronischen Baugruppen anzugeben, bei dem die genannten Nachteile vermieden werden.

Die Aufgabe wird gelöst durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1. Ausgestaltungen und Weiterbildungen des Erfindungsgedankens sind Gegenstand von Unteransprüchen.

Die Aufgabe wird insbesondere gelöst durch ein Verfahren zur Bestimmung der Restlebensdauer von elektronischen Bauteilen oder elektronischen Baugruppen, bei dem repräsentative Temperaturen elektronischer Bauteile bzw. elektronischer Baugrup-pen und/oder von mindestens einem ausgewählten Bereich der elektronischen Bauteile bzw. der elektronischen Baugruppen ab deren Inbetriebnahme fortlaufend ermittelt und aufgezeichnet werden, wobei zu jeweils vorgegebenen Zeitpunkten aus Anzahl und Größe von zeitlichen Veränderungen der ermittelten Tempe-raturen das effektive Lebensalter des elektronischen Bauteils bzw. der elektronischen Baugruppe errechnet wird.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in den Figuren der Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläu-tert, wobei gleiche Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es zeigt:

Figur 1 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens;

Figur 2 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturen durch Temperatursensoren;

Figur 3 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturen aus einem gemessenen Strom- und Spannungsverlauf und einem zugehörigen thermischen Widerstand;

Figur 4 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Zuordnung der ermittelten Temperatur in eine Vielzahl von Größenklassen;

Figur 5 in einem Ablaufdiagramm ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Errechnen des effektiven Lebensalters unter Verwendung von Umrechnungstabellen; und

Figur 6 in einem Signalflussplan ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Errechnen des effektiven Lebensalters unter Verwendung von dynamischen Modellen .

Figur 1 zeigt den allgemeinen Ablauf eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung der Restlebensdauer von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen. Dabei wird davon ausgegangen, dass das effektive Lebensalter von elektronischen Bauteilen oder Baugruppen im Wesentlichen durch die Häufigkeit und die Größe von Temperaturschwankungen der Bauteile bzw.

Baugruppen beziehungsweise in bestimmten Bereichen von diesen bestimmt wird. Bereiche von elektronischen Bauteilen bzw. Baugruppen die besonders durch Temperaturschwankungen beansprucht werden können sind beispielsweise Bonddrahtverbindun-gen oder Lotverbindungen zwischen Leistungsbauteilen und Kühlkörpern oder dem Substrat einer Baugruppe.

Um die verbleibende Restlebensdauer zu bestimmen ist es daher in einem ersten Schritt 1 vorgesehen, die zeitlichen Verläufe der Temperaturen der Bauteile bzw. Baugruppen und/oder von bestimmten Bereichen von diesen über deren gesamte Lebensbeziehungsweise Betriebsdauer zu bestimmen und diese Daten zur späteren Auswertung aufzuzeichnen. Eine solche Aufzeichnung findet üblicherweise in einem geeigneten Speichermedium, wie zum Beispiel einem Halbleiterspeicher statt, der bereits gespeicherte Daten auch dann weiter gespeichert vorhält, wenn keine Versorgungsspannung anliegt. Ein solches Speichermedium kann im Falle eines Fahrzeugs Bestandteil der Fahrzeugelekt-ronik sein und die gespeicherten Daten auch dann weiter vorhalten, wenn zum Beispiel die Spannungsversorgung (Batterie des Fahrzeugs) vorübergehend keine Spannungsversorgung zur Verfügung stellt (zum Beispiel bei Austausch der Batterie o-der während der Fahrzeugwartung) .

In einem Schritt 2 werden dann zu jeweils vorgegebenen Zeitpunkten die Häufigkeit und die Größe von Temperaturschwankungen der Bauteile bzw. Baugruppen und/oder von bestimmten Bereichen von diesen bestimmt. Die Zeitpunkte können periodisch wiederkehrend sein oder ereignisgetriggert wie beispielsweise durch Betriebszustandsänderungen wie etwa bei oder nach Umkehrpunkte der Temperatur. Diese vorgegebenen Zeitpunkte können zum Beispiel auch nur in Zeiträumen festgelegt werden, in denen die Bauteile bzw. Baugruppen nicht in Betrieb sind. Sind die Bauteile bzw. Baugruppen Teil einer Elektronik eines Fahrzeugs, können solche Zeiträume zum Beispiel diejenigen sein, in denen das Fahrzeug nicht in Betrieb ist und daher auch keine aktuellen Änderungen der Temperatur stattfinden. Gegebenenfalls kann dabei zunächst auch ein Abkühlen der Bau-teile bzw. Baugruppen auf Umgebungstemperatur abgewartet werden, bevor mit einer Auswertung der aufgezeichneten Daten begonnen wird, oder es wird mit einer Auswertung begonnen und danach anfallende Temperaturdaten werden aufgezeichnet, aber nicht in der gerade aktuellen Auswertung berücksichtigt.

Im darauf folgenden Schritt 3 wird aus den ausgewerteten Daten die noch verbleibende Restlebensdauer der Bauteile bzw. Baugruppen bestimmt. Dazu werden die Häufigkeit und die Größe von Temperaturschwankungen individuell für jedes der Bauteile bzw. Baugruppen betrachtet, um die Restlebensdauer für jedes der Bauteile bzw. Baugruppen individuell zu bestimmen. Das effektive Lebensalter wird dabei in Abhängigkeit von der Häufigkeit und der Größe von Temperaturschwankungen nach einem vorgegebenen Berechnungsverfahren berechnet.

Dabei können zum Beispiel große Änderungen der ermittelten Temperatur über kurze Zeiträume hinweg stärker gewichtet werden (und damit stärker zur Alterung beitragen) als geringere Änderungen der ermittelten Temperatur über längere Zeiträume hinweg. Unter Verwendung einer vorgegebenen Gesamtlebensdauer und des errechneten effektiven Lebensalters der elektronischen Bauteile bzw. der elektronischen Baugruppen wird dann deren Restlebensdauer bestimmt. Im Fall der Anwendung in Fahrzeugen kann diese Berechnung zum Beispiel unter Verwendung einer Recheneinheit der Fahrzeugelektronik ausgeführt werden .

Figur 2 zeigt weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungs-gemäßen Verfahrens zur Ermittlung von Temperaturen durch Temperatursensoren. Dabei werden in einem Schritt 4 die Temperaturverläufe durch einen oder mehrere auf den jeweiligen e-lektronischen Bauteilen bzw. den elektronischen Baugruppen angeordnete Temperatursensoren ermittelt und aufgezeichnet. Die Auswertung der Temperaturen erfolgt dabei im Allgemeinen wie unter Bezugnahme auf Figur 1 beschrieben.

Häufig besteht jedoch das Problem, dass Temperatursensoren nicht exakt an den Positionen eines elektronischen Bauteils bzw. einer elektronischen Baugruppe angeordnet werden können, die durch Temperaturschwankungen am stärksten betroffen sind und damit maßgeblichen Einfluss auf die Alterung der elektronischen Komponenten aufweisen. Solche Bereiche eines elektronischen Bauteils bzw. einer elektronischen Baugruppe können zum Beispiel Bonddrahtverbindungen oder Lotverbindungen zwischen Leistungsbauteilen und Substraten oder Kühlkörpern sein .

In einem weiteren Schritt 5 wird optional die Temperatur solcher Bereiche, in denen keine Temperatursensoren direkt angeordnet werden können, aus den Temperaturmessungen der an anderen Positionen auf dem Bauteil bzw. der Baugruppe angeordneten Temperatursensoren abgeleitet beziehungsweise errech-net. Zu diesem Zweck werden für jeden einzelnen Fall vorgegebene Umrechnungstabellen verwendet, um aus der Temperaturmessung des Temperatursensors auf die Temperatur in den erwähnten kritischen Bereichen zu schließen. Solche Umrechnungstabellen können zum Beispiel im Rahmen von Labortests oder auf Grundlage von physikalischen Modellen der Wärmeleitung in den entsprechenden Materialien bereitgestellt werden.

Figur 3 zeigt weiteres Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Verfahrens zur Ermittlung der Temperaturen. Dabei wird in einem Schritt 6 zunächst der Temperaturverlauf des

Gesamtsystems (Bauteil bzw. Baugruppe) aus einer Messung des Strom- und Spannungsverlaufs für das Gesamtsystem in Verbindung mit einem thermischen Widerstand des Gesamtsystems ermittelt. Aus diesem Ergebnis wird unter Verwendung entspre-chender zugehöriger Umrechnungstabellen in einem Schritt 7 wiederum auf den Temperaturverlauf an bestimmten kritischen Bereichen (Bonddrahtverbindungen, Lotverbindungen usw.) des Bauteils bzw. der Baugruppe geschlossen. Die entsprechenden Daten werden zur späteren Verarbeitung wiederum aufgezeichnet und einer wie oben beschriebenen Auswertung zugeführt.

Figur 4 zeigt weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zur Auswertung aufgezeichneter Temperaturdaten. Dabei werden in einem Schritt 8 ermittelte Temperaturschwankungen der e- lektronischen Bauteile bzw. der elektronischen Baugruppen und/oder von einem oder mehreren ausgewählten Bereichen davon zunächst in verschiedene Größenklassen eingeteilt. Solche Größenklassen können zum Beispiel auf Grundlage der Größe und/oder der Geschwindigkeit von ermittelten Temperaturschwankungen gebildet werden. Dabei können zum Beispiel große Änderungen der ermittelten Temperatur über kurze Zeiträume hinweg einer anderen Klasse zugeordnet werden als geringere Änderungen der ermittelten Temperatur, die über längere Zeit-räume hinweg erfolgen.

Die Häufigkeit des Auftretens von Temperaturänderungen in den unterschiedlichen Größenklassen hängt dabei bei Fahrzeugen unter anderem vom Fahrverhalten des Fahrers, der Häufigkeit der Einsatzart (beispielsweise Lang- oder Kurzstreckenfahrten) und den Umgebungsbedingungen ab. Die gebildeten Größenklassen können dann je nach Einfluss der Temperaturänderungen auf den Alterungsprozess der elektronischen Bauteile bzw. der elektronischen Baugruppen bei der Berechnung der Restlebens-dauer in einem Schritt 9 unterschiedlich gewichtet werden.

Die Bildung solcher Größenklassen bietet auch die Möglichkeit, die über die Betriebsdauer der elektronischen Bauteile bzw. der elektronischen Baugruppen hinweg zu speichernden Da-tenmengen stark zu reduzieren. So kann in einer Elektronik zum Beispiel eine bestimmte Anzahl von Zählern vorgesehen sein, die jeweils dann inkrementiert werden, wenn ein ermittelter Temperaturverlauf der entsprechenden Größenklasse zuzuordnen ist. Eine fortlaufende kontinuierliche Aufzeichnung aller ermittelten Temperaturverläufe ist in diesem Fall nicht erforderlich .

In einem Schritt 10 wird dann das effektive Lebensalter der elektronischen Bauteile bzw. der elektronischen Baugruppen in Abhängigkeit von der Anzahl der zeitlichen Veränderungen der ermittelten Temperaturen je Größenklasse errechnet.

Figur 5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Errechnen des effektiven Lebensalters in einer Fahrzeugelektronik. In einem Schritt 11 wird dabei zum Beispiel eine bereits vorhandene Recheneinheit der Fahrzeugelektronik genutzt, um die entsprechenden Berechnungen durchzuführen. Vorzugsweise werden dabei Zeiträume genutzt, in denen das Fahrzeug nicht in Betrieb ist und die Recheneinheit nicht für Rechenaufgaben benötigt wird, die mit dem Betrieb des Fahrzeugs in Verbindung stehen.

Steht in der entsprechenden Elektronik, wie im vorliegenden Beispiel in einem Fahrzeug, keine ausreichend leistungsfähige Recheneinheit zur Verfügung, um die anfallenden Daten entsprechend den beschriebenen Verfahren auszuwerten, können die ermittelten Daten zur Berechnung der Restlebensdauer in

Schritt 11 alternativ auch drahtlos oder drahtgebunden an zu dem Fahrzeug externe Recheneinheiten übertragen und dort ausgewertet werden. Eine drahtgebundene Übertragung kann dabei im Rahmen einer Wartung ausgeführt werden. Eine drahtlose Ü-bertragung von Daten kann demgegenüber zu beliebigen oder zyklisch festgelegten Zeitpunkten, zum Beispiel über eine GSM Schnittstelle, stattfinden.

Wird die beschriebene Datenauswertung in einem Fahrzeug selbst unter Verwendung von Recheneinheiten der Fahrzeugelektronik ausgeführt, kann als Reaktion auf das Erreichen eines vorgegebenen effektiven Lebensalters eines elektronischen Bauteils bzw. einer elektronischen Baugruppe in einem Schritt 12 beispielsweise ein entsprechender Warnhinweis (Warnsignal, Warnleuchte, Meldung über Bordcomputer usw.) ausgegeben werden. Werden die Daten extern zum Fahrzeug ausgewertet, zum Beispiel im Rahmen einer Wartung, kann als Reaktion auf das Erreichen eines vorgegebenen effektiven Le-bensalters bzw. das Unterschreiten einer vorgegebenen Restlebensdauer eines elektronischen Bauteils bzw. einer elektronischen Baugruppe direkt ein entsprechender Komponentenaustausch vorgenommen werden.

Figur 6 zeigt in einem Signalflussplan ein Ausführungsbeispiel eines Verfahrens zum Errechnen des effektiven Lebensalters unter Verwendung von dynamischen Modellen. Figur 6 zeigt einen Berechnungsblock 18 zur Berechnung einer Verlustleistung, einen Funktionsblock 19 zur Anwendung eines dynamischen Temperaturmodells, einen Funktionsblock 21 zur Reduzierung errechneter Datenwerte, einen Funktionsblock 22 zur Speicherung von Datenwerten und einen Berechnungsblock 23 zur Anwendung eines Algorithmus zur Schädigungsbestimmung. Als Eingangsgrößen weist das Verfahren einen Strom 13 durch das Bau-teil beziehungsweise die Baugruppe, eine an dem Bauteil beziehungsweise die Baugruppe anliegende Spannung 14, eine Schaltfrequenz 15 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe, eine Einschaltdauer 16 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe und eine Substrattemperatur 17 des Bauteils bezie-hungsweise der Baugruppe auf.

Aus dem Strom 13, der Spannung 14, der Schaltfrequenz 15 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe, der Einschaltdauer 16 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe und einer rückge-koppelten errechneten Temperatur 20 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe wird in Berechnungsblock 18 die Verlustleistung des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe errechnet. Diese errechnete Verlustleistung wird dem nachfolgenden Funktionsblock 19 zur Anwendung eines dynamischen Temperatur- modells zur Verfügung gestellt. Im Funktionsblock 19 wird aus dieser Verlustleistung und der gemessenen Substrattemperatur 17 die gesuchte Temperatur 20 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe errechnet, die auf die Berechnungsblock 18 rückgekoppelt wird.

In dem nachfolgenden Funktionsblock 21 werden die zur Verfügung stehenden Datenwerte der errechneten Bauteiltemperatur 20 und der gemessenen Substrattemperatur 17 auf einen für den nachfolgend angewendeten Algorithmus ausreichende Anzahl reduziert und abgespeichert. Unter Anwendung eines Algorithmus zur Schädigungsbestimmung wird in Berechnungsblock 23 die Restlebensdauer 24 des Bauteils beziehungsweise der Baugruppe bestimmt .

Gemäß einer Weiterbildung des Ausführungsbeispiels eines Verfahrens zum Errechnen des effektiven Lebensalters unter Verwendung von dynamischen Modellen zeigt Figur 6 eine Berechnungseinheit 25 zur Anwendung eines Algorithmus zur Limitie-rung der Strombelastung in Abhängigkeit von der Temperatur.

Dabei wird in Abhängigkeit von diesen Größen unter Verwendung der errechneten Bauteiltemperatur 20 und der gemessenen Substrattemperatur 17 durch die Berechnungseinheit 25 ein maximal zulässiger Strom 26 für das Bauteil beziehungsweise die Baugruppe errechnet.

Durch die Verwendung von dynamischen Modellen für die in der Berechnungsblock 18, dem Funktionsblock 19, der Berechnungseinheit 23 und der Berechnungseinheit 25 verwendeten Algo-rithmen beziehungsweise Berechnungsvorschriften lassen sich die angewendeten Modelle jederzeit verändern und zum Beispiel neuesten Erkenntnissen zur Bauteilalterung oder für ersetzte Bauteile beziehungsweise Baugruppen anpassen.