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分析、故障解析、信頼性試験、試料作製、レーザ加工、再現実験 株式会社クオルテック
事例

パワーサイクル試験

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信頼性試験  /  自動車 電子・半導体 試験・分析・測定

■背景と目的   

【背景】
近年、産業用機器から一般家電、電気自動車、発電装置、電力変換装置(インバータ)等の幅広い分野で、パワー半導体(およびモジュール)が使用されています。電力変換や電力トルク変換エネルギーの使用効率を大幅に向上するため、大電流、高電圧、高速スイッチング、低損失(低発熱)かつ過酷な環境での動作を実現するデバイスが要望され、開発競争も激化しています。その一方で、高温・低温・振動など使用環境に合わせた高い信頼性が要求されます。特に、チップの自己発熱と冷却を、短時間で繰り返す熱ストレスへの耐久性を評価するために、「パワーサイクル試験」の重要性が増しています。

【目的】
パワーサイクル試験とは、パワー半導体モジュールに使われる各部材の接合信頼性を評価するためのものです。パワー半導体に大きな電力を印加し、チップの自己発熱と冷却を繰り返し引き起こすことで、線膨張係数が違う各部材の熱応力への強度を確認します。チップ、基板、はんだ、ワイヤーボンディングそれぞれの界面における接合信頼性や、チップやパッケージ樹脂の歪、クラックに対する耐久性評価に利用されます。

【試験の利用例】
1)初期故障箇所の洗い出し
2)特性の異なるデバイスを同一条件で試験する事で、各デバイスの優劣が明確になる。
  スペックシート上では性能が同じだが、異なるメーカ間の実力差を確認する。
3)破壊した条件から、デバイスに適切な試験条件を推定し、その条件でさらなる試験が可能。
4)ログ機能により、劣化の経緯をデータ化。

 

試験システムの特長と仕様

【特長】
クオルテックでは、電気・電子回路、マイコンファームウエア、PCアプリケーションソフトウエア、水冷制御システムを自社で開発・設計しております。そのため、お客様のご希望に応じた試験システムのカスタマイズが可能。
さらに、長年の実績から蓄積された経験を活かし、試験条件のご相談から承ります。パワー半導体やモジュールに採用予定の部品、パワーモジュールを搭載したユニットの、開発スピード向上にご活用ください。

1)試験装置のカスタマイズを最大の特長としています。
2)MOSFET、IGBT、SBD、FWDなど、全てのパワー半導体に対応可能
3)Si、SiC、GaNの材料に対応
4)豊富なチップ温度の測定技術を保有(Vf・Vce・Vdsの温度特性より算出、熱電対の使用など)
5)パワーモジュールの熱抵抗測定が可能
6)破壊の初期状態を検知し、後工程となる故障解析が容易なサンプルの作製が可能
7)複数のサンプルを同時に試験できるため、試験期間の短縮を図れます。
  同時に16素子までの試験が可能(ただし、試験サンプル・試験条件による)。
8)試験機を50台保有しており、試験のスケジュール調整が容易。

【仕様】
1)同時試験サンプル数:16素子/台(ただし、試験サンプル・試験条件による)
  試験サンプルがさらに多数の場合、複数の試験機を使用して対応
2)ON時間:0.01sec~300sec(0.01秒単位で設定可能)
2)冷却時間:0.5sec~1,000sec
3)冷却温度:水冷式/-5℃~100℃、空冷式/-40℃~175℃
4)試験電流:1素子あたり:0~1100A(800A以上は要相談)。
5)試験電圧:最大15V程度(8V以上は要相談)
5)電流・電圧・ジャンクション温度・(飽和)熱抵抗の記録可能

 

 〈パワーサイクル試験機イメージ図〉

 

 

制御機能

【自動制御】
1)Tjが目標温度の±1.0℃になるよう、電流または通電時間を自動可変します。100mA単位で制御。
2)Tj、Vce(Vds)、電流をリアルタイムに監視し、異常を検知した場合はそのデバイスのみ、試験を中断。デバイスが完全破壊に至る事を防ぎます。
これにより、
・破壊寸前のデバイスを確保し開封することで、初期故障個所の特定や破壊原因の究明が容易になる。
・中断条件を緩和していくことで、破壊の進行度を段階的に観察する事ができる。
・破壊原因から、試験デバイスの使用限界を推定できる。

【手動制御】
1)ゲート電圧-10V ~ +20V
2)冷却液温度ならびに流量

 

温度特性(K-Factor)の測定

【自動制御】 1)Tjが目標温度の±1.0℃になるよう、電流または通電時間を自動可変します。100mA単位で制御。 2)Tj、Vce(Vds)、電流をリアルタイムに監視し、異常を検知した場合はそのデバイスのみ、試験を中断。デバイスが完全破壊に至る事を防ぎます。

 

■複数デバイスの同時試験

 右図の波形は、1つのシステムで4個のデバイスのパワーサイクルを実施しているときの波形です。複数のデバイスを複数の試験装置で試験した場合、試験結果には装置間のばらつきが含まれるために、正確なデバイスの比較ができません。クオルテックでは、ひとつのデバイスが通電オフの期間中に、他のデバイスに通電することで、一定間隔の通電オン・オフを繰り返し、デバイスに熱ストレスを与えています。同一の装置(電源、温度測定、制御、バイパスなどの試験環境)で、複数のデバイスを同時に試験することで、正確なデバイス性能の比較ができます。

 

■ノイズコントロール技術

 GaN/SiCなどの新しいデバイスは、低オン抵抗および高速スイッチング性能向上のメリットがあります。この特性上、パワーサイクル試験時においてもスイッチングノイズ(サージ等)に敏感に反応する可能性があり、デバイス破壊の危険性を持ち合わせています。
 クオルテックでは豊富な経験に基づいたノイズコントロール技術を確立しており、突入電流およびサージ電圧に影響しない試験環境を提供しています。

 

 

■パワーサイクル試験(空冷システム)

 弊社では、水冷式パワーサイクル試験だけではなく、空冷式パワーサイクル試験にも対応いたします。

【試験条件事例】
1.時間制御方式:

一定時間電流on(t1)
一定時間電流off(t2)
2.温度制御方式:

目標温度(Tjmax)に到達時点で電流off
目標温度(Tjmin)に到達時点で電流on
3.時間・温度混在制御方式も可能

【空冷パワーサイクル試験の様子】
右の写真およびTj温度制御事例のグラフ波形をご覧ください。

 

 

 

 

 

■トータルソリューションサポートについて

弊社では、パワーサイクル試験後(前)の各種検査・観察・解析のサポートも実施しています。是非ご活用ください。

【検査・観察・解析】
<非破壊検査>
▶各種電気特性試験
I-V特性測定(リーク電流測定・各種電圧測定・耐圧測定等)
▶超音波顕微鏡観察
▶X線CT(高分解能)観察
▶ロックイン発熱解析


<破壊検査>
▶機械研磨・イオンミリング・CP(クロスセクションポリッシャー)
▶プラズマFIB-SEM観察
▶EBSD解析(電子線後方散乱回折法)
▶半導体パッケージ開封

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