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事例紹介

  • 信頼性試験2018/02/10

パワーサイクル試験

背景と目的

【背景】
 近年、パワー半導体が産業用機器から一般家庭電化製品、電気自動車、ハイブリッド自動車、発電装置、電力変換装置(インバータ)等の、幅広い分野で使用されるようになり、パワー半導体や電子部品に高い信頼性が求められるようになってきています。その一方で、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、開発競争が激化しています。

【クオルテックのパワーサイクル試験とは】
1.パワー半導体に定格内の熱ストレスを与え、チップと基板のはんだ接合部の劣化やクラック、チップとワイヤーの接合部の亀裂や破断、金属疲労、チップやモジュール構造の歪による破断などの信頼性を評価します。
2.実際の使用環境に近づけるため、試験条件のカスタマイズを最大の特長としています。
3.短時間で効率的に評価できる独自の試験システムを準備し、お客様の開発スピードアップに貢献します。

パワーサイクル試験

パワーサイクル試験の制御回路構成

 車載用を中心に採用されるパワー半導体は、低温・高温・振動など厳しい環境下において、高い耐久性が求められます。特に、発熱・冷却を短時間で繰り返す熱ストレス耐久性(パワーサイクル)試験が重要です。クオルテックでは、電気電子回路設計、ファームウエアプログラム開発、PCアプリケーションソフトウエア開発、水冷制御システムなどを、自社で開発する高度な開発設計能力を保有しており、お客様の製品の使用条件に応じた様々な装置やシステムを柔軟に開発することが可能です。さらに、正確な発熱・冷却の⊿tを制御し、水温0℃で冷却できるシステムを実現。弊社の柔軟なシステムをご利用いただき、目的に応じた様々な試験を通じて、パワー半導体の開発やパワー半導体を用いた製品の設計スピードアップに貢献いたします。

パワーサイクル試験

制御回路の特徴

【特徴】
1.オンオフ制御と同時に、オン時のTj温度を一定にする豊富な制御方法を実現。
2.使用環境をシミュレートする多彩な試験条件の実現するカスタム回路設計が可能。
3.水温0℃を維持しながらの冷却が可能。
4.リアルタイムで温度測定(モニターダイオード、FRD、FWD)が可能。
5.ログ機能として、電圧・温度・電流を記録可能(1分間隔~2時間間隔)

【仕様】
1.オンオフ時間制御:0.1秒単位
2.定電流源:0~1000A
3.ジャンクション温度:0℃~200℃
4.リアルタイム温度モニター
5.SiC、GaNにも対応

パワーサイクル試験

パワーサイクル試験の意義と、デバイスの破壊予知による自動停止機能

【試験応用例】
1.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。
例)仕様は同じで、異なるメーカのデバイス間の実力差を見る
2.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。
3.ログ機能により、劣化の経緯をデータ化。

【自動停止機能】
・Tjが目標温度の+・-2.5℃になるように、電流または通電時間を自動可変制御します。
・Tj温度、Vce(Vds)電圧、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することで、デバイスが完全破壊に至るのを防ぎます。
これにより、
1.破壊寸前のデバイスを確保する事ができるので、開封することで破壊原因を究明可能。
2.破壊の進行段階を観察する事ができる。
3.破壊原因から、試験デバイスの使用限界条件を推定できる。
4.試験中のデータから熱抵抗も測定する事が可能です。

パワーサイクル試験

複数デバイスの同時試験(タイムシェア方式を採用)

 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。

パワーサイクル試験

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

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。

パワーサイクル試験

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

まとめ

弊社では、お客様のご希望にお応えできるよう約50台(国内最大級)の水冷式パワーサイクル試験機を準備しています。
お客様の試験ニーズへ対応することはもちろんのこと、新しい価値観の創造(未来品質の構築)をモットーに新たな試験方法の提案も行っています。
また、受託試験だけではなく、試験装置の開発・販売も行っております。
ぜひ一度、お問い合わせ下さい。
▶試験のプロが考えた設計開発者のためのパワーサイクル試験機

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