Einfach erklärt: Warum altern Halbleiter und wie schützt man sie optimal?

Warum altern Halbleiter in Computer, Auto und Handy?

Halbleiter sind wichtige elektrische Bauteile, die uns im Alltag unerkannt begleiten. Die meist aus Silizium bestehenden Komponenten kommen dann zur Anwendung, wenn es um die Abbildung von Logik in digitalen Geräten geht. Computer, Auto, Handy und auch die Elektronik einer Kaffeemaschine sind nicht ohne Halbleiterbauelemente denkbar. Sie werden immer dann eingesetzt, wenn der Stromfluss reguliert werden soll.

Die modernen Chips aber leiden im Betrieb unter Materialermüdung und es kommt nach und nach zu Ausfällen. Je älter ein Halbleiter wird, desto größer sind die Schäden die durch die schwankenden Temperaturen, denen die Bauteile im Betrieb ausgesetzt sind, entstehen. Das wiederrum führt zur Leistungsunterbrechung und schließlich zum Ausfall des Geräts. Der Alterungsprozess von Halbleitern zieht sich dabei meist über mehrere Jahre hin und wird durch verschiedenste Faktoren, wie Strom und Temperaturschwankungen, bestimmt. Deshalb lässt sich die Lebensdauer solcher Halbleiter nur schwer messen.

Deutlich schneller verläuft der Alterungsprozess, wenn ein Gerät immer wieder Überspannung erfährt, also mehr Strom durch das Gerät fließt, als vorgesehen ist. Das führt zu kurzzeitiger Erwärmung und folgender Abkühlung des Halbleiterbauelements. Und da sich Materialien bei Erwärmung oft ausdehnen und beim Abkühlen zusammenziehen, entsteht für die Verbindungen innerhalb eines Halbleitergehäuses ein thermo-mechanischer Stress. Das Bauteil altert schneller und wird früher kaputt gehen.

Schlägt aber zum Beispiel ein Blitz ein, so steigt die Spannung in kurzer Zeit so extrem an, dass mehr Wärme im Halbleiter freigesetzt wird, als über das Gehäuse abgeführt werden kann. Es kommt zum Kurzschluss.
Eine Möglichkeit die Lebensdauer von elektrischen Halbleitern und damit auch die Lebensdauer elektrischer Geräte zu verlängern, ist die Vorschaltung eines Überspannungsschutzes und einer USV-Anlage von APC by Schneider Electric. Diese fangen Stromausfälle und Überspannungen ab und schützen so die lebensnotwendigen Halbleiter in allen wichtigen elektrischen Geräten.

Quellen:
http://www.ifte.de/mitarbeiter/lienig/fm_part1.pdf
https://www.semikron.com/dl/service-support/downloads/download/semikron-applikationshandbuch-leistungshalbleiter-de-2015-08-04
Josef Lutz, Zerstörungsmechanismen in Leistungsbauelementen, In Halbleiter – Leistungsbauelemete, 2006, S. 319 – 356
Thomas Waldmann, Temperature dependent ageing mechanisms in Lithium ion batteries – A Post-Mortem study, In: Journal of Power Sources, 2014, S. 129 – 135
Jan Albers, Grundlagen integrierter Schaltungen – Bauelemente und Mikrostrukturierung, 2010, S. 220 – 223
Ertl, Reinhard; Angst vor Elektronikausfall? Plädoyer, Forum Jahrgang 59, 2014

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