シーマ電子株式会社

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パワーサイクル試験

#構造関数 #パワーデバイス材料評価 #信頼性評価 #IGBT #MOSFET #SBD

パワーサイクル試験受託サービスについて

パワーサイクル試験は、熱疲労による接合信頼性の寿命推定を目的とした評価試験です。モジュールに搭載したIGBTやMOSFET、SBDなどのチップへ電力をOn/Offする際の発熱/冷却によって起きる熱応力に因って、線膨張係数の違う各材料間で剥離や破壊などの不具合が発生することにより、モジュール寿命に大きな影響を与えます。パワーモジュールに使用されるチップ、ダイアタッチ材、ワイヤ−、セラミック基板(DBC,AMB基板)、ベースプレート、封止材料の接合信頼性を評価することによって、より信頼性の高い製品開発を行うことが可能となり、パワーエレクトロニクス製品の開発には必須の評価試験となっています。

また、シーマ電子では、パワーサイクル試験装置の販売も行っております。

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パワーサイクル試験の強み
  • 当社パワーサイクル試験機は水冷式コールドプレートによる冷却機構を搭載しており、安定した放熱特性の下、評価が可能です。
  • 当社保有試験機には構造関数解析の機能を搭載しており、試験中の熱抵抗の変化から不良箇所の解析が可能です。
  • 当社ではパワーサイクル試験の受託だけでなく、モジュールの組立、試験前後の非破壊検査、電気特性評価まで行う事が可能です。また、モジュール組立に必要な部材手配も当社にて請け負います。
  • 当社オリジナルヒーターTEGチップを用意しております。入手の難しい実チップに代わる発熱源として、材料メーカー様ご依頼の材料劣化試験にご使用頂いております。
  • パワーサイクル試験装置の販売も行っております。
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当社保有パワーサイクル試験機

装置仕様/特徴

弊社では水冷式コールドプレートを採用しており、安定した放熱特性のもと試験実施が可能です。また、お客様ご指定のコールドプレート手配、持ち込み品の設置など仕様により柔軟に対応させて頂きます。

弊社では試作組立サービスも行っており、ワイヤーボンディング材、ダイアタッチ材の材料変更など組立から試験まで一環し行う事が可能です。パワーサイクル試験向けの弊社オリジナルのヒーターTEGチップを準備しており、発熱体とし使用し周辺材料評価にもご使用頂いております。弊社はお客様にご来社頂き、サンプルの設置、条件出し等を立会のもと実施させて頂く事も可能です。また、非破壊による試験前後のSAT観察、X線観察(非破壊検査)、電気特性の確認を行う事が可能です。

1号機 2号機 3号機・4号機 5号機 6号機
最大印加電流 800A/10A 532A 1800A 1200A 900A
最大印加電圧 5V/400V 10V 12V 20V 30V
チャンネル数 10 5(2素子/CH) 3(4素子/CH) 3(4素子/CH) 3(6素子/CH)
ON/OFFトリガー Tc,Tj,時間 Tc,Tj,時間 Tc,Tj,時間 Tc,Tj,時間 Tc,Tj,時間
その他特徴 TEGチップ使用可能 高精度な温度測定 過度熱抵抗測定
構造関数分析
過度熱抵抗測定
素子毎にGATE調整が可能
最大18サンプル測定が可能
ダイオード交互測定モード対応
構造関数解析

シーマ電子製(5号機・6号機)

過渡熱抵抗測定、素子毎のGate調整が可能です。

設備スペック
  • 最大印加電流:1,200A
  • 最大印加電圧:20V
  • チャンネル数:3(4素子/1ch)
  • On/Offトリガー:Tc,Tj,時間
  • シーマ電子製パワーサイクル試験機
    シーマ電子製パワーサイクル試験機
設備の詳細や購入/リース等について問い合わせる

設備を購入することも可能です。購入に伴うご不明点などお気軽にご相談ください。

受付時間:平日9:00〜18:00

045-260-1511

3号機・4号機

過渡熱抵抗測定及び構造関数解析が可能です。

設備スペック
  • 最大印加電流:1,800A
  • 最大印加電圧:12V
  • チャンネル数:3(4素子/1ch)
  • On/Offトリガー:Tc,Tj,時間
  • メンターグラフィックス社製パワーサイクル試験機
    メンターグラフィックス社製パワーサイクル試験機

2号機

高精度な温度測定が可能です。

  • 最大印加電流:532A
  • 最大印加電圧:10V
  • チャンネル数:5(1ch/2素子)
  • On/Offトリガー:tc,tj,時間
  • コペル電子製パワーサイクル試験機
    コペル電子製パワーサイクル試験機

試験後の故障解析

試験後の故障解析もお任せ下さい。当社ではCT-X線やSATを用いた非破壊での故障解析が可能です。

パワーサイクル試験とは

温度サイクル試験はサンプルの周囲温度を変化させ、サンプル全体の温度を変化させて行う試験に対して、パワーサイクル試験はサンプルに電力を印加し発熱させる為、発熱源であるデバイス(チップ)周辺のみ加熱されます。デバイス周辺材料の線膨張差が影響しデバイス周辺のみが歪む為、実使用での発熱動作を考慮した試験となります。

エネルギーの有効活用、省エネ化への重要コア技術としてパワーモジュール開発は取り組まれております。パワーモジュールの使用用途としてはインバーターやコンバーターなどの電力変換に用いられ、電気エネルギーの供給や制御を行い発電、送電、電鉄、輸送システムなどに活用されております。

現在、ハイブリッド車や電気自動車などの電動化やモーター制御の推進が加速しており、技術革新が求められております。また、自動車のエンジンルーム内で使用される為、高耐熱、高放熱も性能として求められております。電鉄、自動車関連以外でもエアコンや冷蔵庫などの白物家電にも世界で幅広く使用されております。

パワーモジュールは実際に使用される過酷な環境化でも高い信頼性を求められており、パワーサイクル試験はその信頼性を評価する重要な試験となります。

目的

パワーサイクル試験はパワーモジュールに関する重要な信頼性試験の一つです。パワーモジュールに使われる各種材料の接合信頼性を評価する試験となります。パワーデバイスに対し電力印加をON/OFFさせることでデバイス(チップ)が自己発熱(ON時)と冷却(OFF時)を繰り返します。この発熱と冷却の熱応力により線膨張係数の違う各材料間で剥離や破壊などの不具合が発生します。この熱疲労による接合信頼性の寿命推定を目的とした評価がパワーサイクル試験となります。

パワーデバイス(IGBT、MOSFET、SBDなど)を製品とする際は様々な材料を組合せて製造されます。使用される材料は、Alワイヤー、Cuワイヤー、半田や金属焼結材料、セラミックを使用した絶縁基板(DBC基板、AMB基板)、メタルベースプレート(ヒートシンク)、封止材料などがあります。それぞれの材料間には接合部が存在する為、各部の接合信頼性を評価することで信頼性の高い製品開発が可能となります。パワーサイクル試験はそれぞれの接合部の評価を行う上で必要な試験となっております。

評価対象

評価対象は、パワーモジュールに使用されるチップ、ダイアタッチ材、ワイヤー、セラミック基板、ベースプレート、封止材料です。

  • モジュールイメージ図
    モジュールイメージ図
  • モジュール試作例
    モジュール試作例
試験方法-1:ショートパワーサイクル試験(短周期試験)

通電ON数秒、OFF数秒など短時間で発熱と冷却を繰り返す試験です。短周期の為、デバイス(チップ)周辺のみで加熱と冷却が繰り返され、主にワイヤーボンディング接合部やデバイス(チップ)下の金属接続材の評価を目的として行われる試験となります。

  • ショートパワーサイクル試験イメージ
    ショートパワーサイクル試験イメージ
  • ショートパワーサイクル試験イメージ
    ショートパワーサイクル試験イメージ
試験方法-2:ロングパワーサイクル試験(長周期試験)

通電ON数分、OFF数分など長時間で発熱と冷却を繰り返す試験です。発熱源であるデバイス(チップ)から離れたCuベースプレートまで熱が伝わるよう、十分な発熱時間を設けます。OFF時も全体に広がった熱が冷却されるまで待つ為、長時間となります。Cuベースプレート付近は接合部面積が大きい為、線膨張量が大きくなります。この為、主に絶縁基板とCuベースプレート間の金属接合材部の評価を目的として行われる試験です。

  • ロングパワーサイクル試験イメージ
    ロングパワーサイクル試験イメージ
  • ロングパワーサイクル試験イメージ
    ロングパワーサイクル試験イメージ
構造関数解析(Structure Function Analysis)

構造関数曲線の傾きが大きな部分は熱が伝わりやすい材料であり、熱抵抗の数値が小さくなります。パワーサイクル試験の途中でも測定する事が可能な為、熱抵抗数値の変化から不良箇所を解析が行えます。以下は試験での半田(ダイアタッチ)破壊前後の構造関数変化のイメージ図です。

  • 構造関数解析
    構造関数解析
納品までの流れ

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