車両の電動化を背景にOEM / Tier 1サプライヤーは、先端の半導体とパッケージングテクノロジーを組み込んだ電化ドライブトレイン・コンポーネントを統合するよう求められています。プラットフォームは複雑化を極め、動作環境も過酷化していますが、保証義務があるため、現場で製品の信頼性が低下することは許されません。ドライブサイクル全体のオペレーションと同じ条件で、バッテリーとモーターの間で使用するパワーエレクトロニクス・コンポーネントの熱性能と信頼性を評価するテストを実行することは、自動車 / 輸送向け部品の開発で重要な意味を持ちます。
寿命予測のための信頼性試験や、熱劣化の洞察のための熱特性評価などのシーケンスが自動実行できるようになり、これらの検査はかつてないほど充実し、迅速かつ効果的になっています。
車両の電動化を背景にOEM / Tier 1サプライヤーは、先端の半導体とパッケージングテクノロジーを組み込んだ電化ドライブトレイン・コンポーネントを統合するよう求められています。プラットフォームは複雑化を極め、動作環境も過酷化していますが、保証義務があるため、現場で製品の信頼性が低下することは許されません。ドライブサイクル全体のオペレーションと同じ条件で、バッテリーとモーターの間で使用するパワーエレクトロニクス・コンポーネントの熱性能と信頼性を評価するテストを実行することは、自動車 / 輸送向け部品の開発で重要な意味を持ちます。
寿命予測のための信頼性試験や、熱劣化の洞察のための熱特性評価などのシーケンスが自動実行できるようになり、これらの検査はかつてないほど充実し、迅速かつ効果的になっています。
この電気試験手法 (ETM) はJEDEC (JESD51-1) 標準に基づく非破壊的アプローチであり、ダイオードの順電圧など、半導体デバイスの温度依存特性によって、半導体デバイスの温度を調べる方法です。ダイに通電されると同時にセンサーが稼働し、温度対時間が測定されます。
電気信号測定の忠実度は、±0.01°Cの分解能と同等です。この手法には、熱電対を使用しなくても、半導体デバイスのゼロ時の温度を基準温度として使えるという大きな利点があります。
Simcenter POWERTESTERは、被試験部品と桁違いに高い精度を誇ります。高い精度を確実に発揮できるように、Simcenter Flothermソフトウェアを使用すると、装置の熱設計を最適化し、システム全体への熱応力を最小化できます。
Simcenter POWERTESTERはさらに、パワー出力ステージごとにすべてのパワーパワートランジスタの過渡熱を測定し、熱流路内のクリティカルセグメントの製造熱性能が設計性能と一致しているかを検証します。
何百ものSimcenter POWERTESTERソリューションが、世界各地のいくつもの業界で採用され、使用されています。研究所から工業試験設備まで、さまざまな環境に導入されることを踏まえ、このシステムはアラーム機能、ステータス表示、安全機能などを備えています。システムの自動安全監視装置は、内蔵の無停電電源装置 (UPS) によって稼働しています。システムのステータスは4色のブザー付きタワーライトで表され、故障時には手動の停止ボタンを利用できます。パワーサイクリングシステムには、三相交流と液冷またはプロセス水が必要です。
故障の根本原因に関する試験データが寿命指標に含まれているため、的確な設計調整ができ、開発作業を迅速に完了させます。Simcenter POWERTESTERは、通常の熱過渡試験のほかに、電気および熱に関する各種試験データを収集します。
収集したデータを使用して、パッケージの内部配線が受けた損傷を特定したり、部品の熱構造内の劣化箇所を検出したりします。ボンディングワイヤの故障や、ダイアタッチの剥離など、干渉しあう損傷メカニズム間の因果関係は、構造関数上の地点や、試験プログラムの中で損傷が開始した時間から推定します。
Simcenter POWERTESTERのハードウェアシステムは、さまざまな条件で部品のパワーサイクル試験を行えるため、被試験部品の出荷後の動作条件を想定した試験が可能です。幅広いパワーサイクル試験手法に対応しており、通常の熱過渡測定値のほかに、さまざまな電気および熱の試験データを収集できます。
最も単純な手法は、温度上昇や電力を補正せず、電流値を一定にしたままで、電源のオンとオフを所定の間隔で切り替えるものです。何万サイクルという試験の過程で部品が疲労して損傷すると、やがて筐体温度とジャンクション温度が上昇し、電力散逸が増加します。ほかの手法として、サイクルごとに供給電流またはゲート電圧を変化させながら、一定のパラメーターを高精度で維持するという試験方法もあります。
時間とコストのかかる信頼性試験においては、時間の有効活用こそが製品開発のスケジュールと予算を守るための必須条件です。Simcenter POWERTESTERは、数万回から何百万回もの試験サイクルを休まず実行しますが、被試験部品が故障するまで、オペレーターの介入はほぼ必要ありません。所定のガイドラインに準拠した方法で試験が進められ、常に有用な結果を得られます。
試験のセットアップは専用のワークフローソフトウェアで簡単に行えます。また、デバイスと試験のパラメーターを保存し、再利用することで、一貫性と正確性が確保されるため、オペレーターのエラーというリスクを最小限に抑えます。試験の進度はWebブラウザーからリモートでチェックできます。Simcenter POWERTESTERをWebサーバーとして、共有ドライブとの間でデータのダウンロードやアップロードが許可されます。
Simcenter POWERTESTERハードウェアで測定した構造関数を使用することで、パワーモジュールの熱シミュレーションモデルがより高精度になります。その結果を直接Simcenter Flotherm、Simcenter Flotherm XT、およびSimcenter FLOEFDにインポートできます。一連のSimcenterソフトウェアソリューションには、ユーザーが指定したモデルの入力値を自動的に最適化するモジュールがオプションとして提供されており、測定した部品の構造関数に一致するようにユーザー指定モデルの構造関数を変更できます。その結果、あらゆる時間定数に関して99%以上の精度を誇る、パッケージの熱モデルが作成され、あらゆるユースケースや電力プロファイルに対して高忠実度の熱シミュレーションが可能です。
Simcenter POWERTESTERは、開発したパワーエレクトロニクスに高い信頼性を与え、検証済み熱モデルの使用に対応し、忠実度に基づいた熱設計を行えるハードウェアです。
パワーサイクル試験では、過渡熱インピーダンスを定期的に測定し、測定した温度と時間をグラフ化して熱構造関数を導き出します。構造関数のプロットは、熱がダイのジャンクションから雰囲気に伝わるときのデバイスの累積熱容量対熱抵抗を示しています。
構造関数を使用すると、パッケージ構成部品 (ダイの下のはんだダイアタッチ層など) の熱性能について、製造ばらつきに起因する部品ごとの違い (厚み、接触抵抗、ボイドの有無など) を含めた知見が得られます。構造関数解析は、パワーサイクル試験中にパッケージ熱構造に起こる変化を非破壊的に評価する手法です。
シーメンスの1事業部であるメンターが開発したパワーエレクトロニクス試験ソリューションには、アクティブ・パワーサイクル試験とJEDEC規格に準拠した熱インピーダンス自動測定が統合されています。
600A～3600Aの供給電流と6V～18Vの供給電圧に対応しています。Simcenter POWERTESTERソリューションは、冷却用のコールドプレートを備え、ベースプレートが水平になっている部品のデバイス校正が可能です。また、被試験部品に適した外部冷却ソリューションを使用することで、直接液冷が想定されている部品の冷却にも柔軟に対応できます。ディスクリートパッケージのダイオード、SiおよびSiC MOSFET、IGBTのほか、パワーモジュールの測定をサポートします。
