Moduli di potenza: oggi test più veloci e accurati

L’apparecchiatura di collaudo introdotta da Mentor Graphics promette una più rapida individuazione delle cause dei danni termici, e una raccolta dati completa

I problemi che il calore è in grado di causare al funzionamento dei circuiti elettronici diventano critici soprattutto in certi tipi di applicazioni, dove è necessario garantire una lunga capacità operativa e grande affidabilità nel corso del tempo. È il caso, ad esempio, dei componenti elettronici e dei moduli di potenza che sempre più vengono utilizzati nell’industria automobilistica o nel settore dei trasporti, dove tali componenti consentono un funzionamento affidabile dei treni, e delle auto con motori ibridi ed elettrici.

Una ‘structure function’ relativa a un IGBT, mostra le variazioni a livello di giunzione

Vi sono anche altri settori di impiego, nei converter di energia, e nel campo della produzione di energia rinnovabile, con applicazioni nelle turbine. Uno spazio di mercato, questo, in cui Mentor Graphics intende giocare un ruolo importante, focalizzato sulla capacità di abilitare l’innovazione tecnologica nelle attività di test dei componenti e moduli di potenza. E ciò anche in virtù del know-how accumulato, a qualche anno dall’acquisizione (nel 2008) del gruppo Flomerics, società fornitrice di soluzioni evolute per l’analisi fluidodinamica computazionale (CFD – computational fluid dynamics).

John Parry, electronics industry manager della Mechanical Analysis Division di Mentor Graphics

John Parry, electronics industry manager della Mechanical Analysis Division, ricorda quell’acquisizione, prima di descrivere le funzionalità e i vantaggi introdotti con il lancio a maggio, da parte di Mentor, di una nuova apparecchiatura di test: MicReD Industrial Power Tester 1500A. “Stiamo osservando un interesse crescente per le applicazioni dell’elettronica di potenza e degli IGBT in molti ambiti” dice, mostrando le aree industriali in cui la nuova soluzione verrà posizionata per consentire un miglioramento significativo delle attività di collaudo dei componenti di potenza.

Queste sono soprattutto gli azionamenti per motori, gli inverter fotovoltaici di tipo commerciale e residenziale, i componenti nei veicoli con motori e elettrici e ibridi, gli inverter per i sistemi ferroviari (rail traction inverter, rail auxiliary inverter), e le turbine utilizzate negli impianti eolici commerciali e residenziali per la produzione di energia rinnovabile. Ma ve ne sono anche molte altre, nei dispositivi UPS, nei sistemi industriali di saldatura, nelle applicazioni consumer (condizionatori d’aria, lavatrici, forni a microonde ed altre appliance casalinghe), nel settore medicale (defibrillatori) e nei converter per l’industria avionica.

Salto di qualità rispetto ai test convenzionali

Il problema chiave in IGBT (insulated-gate bipolar transistor) e componenti di potenza sono le degradazioni indotte dal calore all’interno dei moduli, dopo molti cicli di accensione e spegnimento (power cycling), che finiscono per indebolire fili, giunzioni, saldature, e possono portare alla rottura di substrati e die.

Con le metodologie di test tradizionali per questi componenti, ricorda Perry, occorre diverso tempo, per eseguire in maniera ripetitiva molti cicli di alimentazione fino a ottenere il guasto. Questo processo richiede la ripetuta rimozione del componente dal tester per l’analisi di laboratorio, e la ricollocazione dello stesso sul sistema di test per l’esecuzione di altri cicli. Oltre a perdere molto tempo, con tale tecnica diventa spesso difficile comprendere le cause, e risalire alle radici del danno, aggiunge Perry. Ciò perché, durante il collaudo, vi sono diversi parametri da monitorare contemporaneamente, e perché la ricerca e diagnosi delle cause responsabili della rottura del componente può avvenire solo in fase ‘post-mortem’ del dispositivo, rilevando e analizzando  le degradazioni e i danni all’interno del package tramite raggi x, ultrasuoni, o ‘dissezione’ del dispositivo stesso.

Con il Power Tester 1500A, invece, diventa possibile avere una indicazione ‘on line’ della progressione del danno, e tutti i dati possono essere catturati lungo tutto il processo di analisi, senza il rischio di perdere per strada preziose informazioni.

La nuova soluzione si posiziona infatti con la particolarità di fondere diverse funzionalità di collaudo. Il Power Tester 1500A, dichiara Mentor, è il solo prodotto per il test termico disponibile sul mercato in grado di combinare le misure relative al power cycling e ai transitori termici, con l’analisi delle funzioni (structure function) che descrivono l’andamento dei flussi di calore a livello dei contenitori (package) dei chip, fornendo dati per una diagnostica in ‘real-time’ delle cause dei guasti. Le variazioni nella curva di una ‘structure function’ durante il test di power cycling identificano infatti uno specifico cambiamento nel package (delaminazione, rottura del substrato, ecc.) e mostrano l’evoluzione del guasto.

Questo, spiega Mentor, permette di ridurre in maniera notevole le tempistiche di test e diagnosi, fino a dieci volte. La nuova apparecchiatura di test integra la tecnologia T3Ster della società MicReD (Microelectronics Research and Development), oggi parte di Mentor Graphics, e si propone di fornire funzionalità di power cycling e collaudo (caratterizzazione termica e misure elettriche) interamente automatizzate per i moduli di potenza, e in grado di produrre dati completi per la valutazione delle cause dei guasti.

Power Tester 1500A consente il collaudo non solo degli IGBT, ma anche di dispositivi MOSFET (metal-oxide semiconductor field-effect transistor) e diodi di potenza. Inoltre, essendo dotato di pannello touchscreen e di caratteristiche atte a ottimizzare la semplicità operativa, risulta utilizzabile non solo da parte di specialisti, ma anche di altri utenti, come il personale del reparto di produzione.

Giorgio Fusari

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