I componenti elettronici di potenza come Mosfet, diodi, transistor e Igbt sono utilizzati ovunque si generi, converta e controlli dell'energia elettrica. Poiché la domanda di energia delle applicazioni industriali e consumer è in crescita, i produttori di moduli mirano ad aumentare i livelli di potenza e la capacità di corrente, pur mantenendo degli standard elevati di qualità e di affidabilità. Si tratta ovviamente di una sfida difficile. La pressione sul tema della potenza ha favorito l'avvento di nuove tecnologie - come i substrati di ceramica - con coefficienti di trasferimento del calore decisamente migliori rispetto al passato, e di accorgimenti strutturali (quali collegamenti piatti, soluzioni di die-attach senza saldatura eccetera) che permettono di aumentare la capacità dei moduli di sopportare dei cicli energetici sempre più violenti. In termini molto sintetici, è possibile affermare che gran parte degli sforzi dei progettisti e dei produttori si sono orientati al miglioramento dei percorsi termici. Tuttavia, lo stress termico e termo-meccanico su questi sistemi rimane un problema da non trascurare, da cui derivano gran parte dei guasti che si manifestano in fase di esercizio. Oltre alla perforazione delle giunzioni, le forti sollecitazioni possono portare ad anomalie legate soprattutto al degrado dei collegamenti, all'affaticamento delle saldature, alla delaminazione degli strati e alla fessurazione del substrato.
Prevedere la vita utile
I progettisti hanno sempre cercato di determinare a priori la vita utile dei propri sistemi in funzione dei cicli di potenza cui sono normalmente soggetti. I processi tradizionalmente utilizzati per i test predittivi sono molto ripetitivi e richiedono una grande quantità di tempo. Per poter analizzare la condizione interna del package, è inoltre necessario effettuare delle indagini "post-mortem", in cui il laboratorio può limitarsi solo a prendere atto degli effetti distruttivi senza avere l'opportunità di valutare l'andamento dei parametri operativi che hanno portato al guasto.
Tester di potenza per accelerare i test e diagnosi
Il Power Tester MicRed 1500A di Mentor Graphics è stato progettato e costruito proprio per indirizzare questa sfida. Tale soluzione consente infatti di accelerare i processi di test e di diagnosi delle possibili cause di guasto dei componenti di potenza. Il nuovo Power Tester è l'unico sistema nato per operare sia in ambienti di laboratorio sia in ambienti di produzione. Si tratta di una soluzione integrata che permette di automatizzare i cicli termici fornendo dei dati analitici in tempo reale per la diagnosi dei guasti in progress. Il sistema è stato progettato per accelerare le prove di vita, generando dei risultati che possono contribuire a migliorare l'affidabilità delle applicazioni basate su moduli elettronici di potenza. L'approccio utilizzato dallo strumento è unico. Esso sottopone il dispositivo sotto test a numerosi cicli di potenza completamente automatizzati. I cicli di potenza si succedono fino al guasto dell'unità. A differenza dei metodi tradizionali, il dispositivo non deve più essere rimosso, portato in laboratorio per le verifiche, e riportato in fabbrica per effettuare altri cicli, permettendo così di risparmiare molto tempo.
Durante i test il sistema consente inoltre di sviluppare il ciclo di potenza secondo strategie differenti, in particolare con tempo di on/off costante, swing di temperatura dell'alloggiamento costante, e innalzamento della temperatura di giunzione costante. Ciò permette di indagare i comportamenti di varie parti del modulo, per esempio il silicio, i substrati o i collegamenti. Un'interfaccia touch-screen permette di facilitarne l'uso sia da parte del tecnico di produzione sia da parte dell'ingegnere di laboratorio. L'interfaccia consente di predisporre l'ambiente di test e di registrare le informazioni acquisite durante i cicli, per esempio tensioni correnti e temperature. Ideale per l'analisi di Mosfet, Igbt e dispositivi bipolari e generici (fino a 3 in una sola volta), il Power Tester 1500A permette di rilevare e tracciare i dati di corrente, tensione e temperatura del die, effettuando contemporaneamente un'analisi della struttura per registrare i cambiamenti che possono originare il guasto del componente. Il sistema può essere utilizzato per migliorare e velocizzare lo sviluppo dei package, per effettuare prove di affidabilità e per controllare i lotti in arrivo prima della messa in produzione. Durante l'esecuzione dei cicli di potenza, la funzione di analisi in tempo reale della struttura permette di ottenere utili indicazioni sullo sviluppo dei guasti, evitando l'esigenza di analisi post-mortem di laboratorio.
Modellazione della struttura
Il Power Tester 1500A è stato progettato per seguire il metodo di prova statica Jesd 51-1. Sulla base della risposta transitoria catturata, il sistema può generare automaticamente delle funzioni strutturali che forniscono un modello equivalente del percorso di conduzione del calore. Il modello è espresso da resistenze termiche e capacità termiche. Il confronto con una funzione strutturale di riferimento permette di rilevare cedimenti o resistenze termiche parassite nel percorso di conduzione, prima che i loro effetti diventino distruttivi. Il sistema supporta anche misure secondo il metodo standard "transient dual-interface" (Jedec Jesd 51-14), il quale consente di determinare i valori RthJC che rappresentano, con grande ripetibilità, i cambiamenti di qualità nell'interfaccia termica sulla superficie del ‘case‘ del modulo.
Strategia di test flessibile: esempi su moduli Igbt
I progettisti di moduli di potenza elettronici e di apparati collegati devono garantire che la resistenza termica tra il chip e la piastra di base rimanga la più bassa possibile, ricorrendo a un collegamento elettrico affidabile e un die-attach in grado di sopportare un carico termico significativo durante tutto il ciclo di vita del prodotto. Con le applicazioni di nuova generazione, soprattutto con l'introduzione dei veicoli elettrici e ibridi, i dispositivi Igbt hanno acquisito una posizione di leadership nella conversione ad alta tensione. Il calore dissipato nella giunzione ha ovviamente un effetto importante sull'affidabilità di questi componenti. Le temperature di giunzione elevate e gli alti gradienti di temperatura durante il funzionamento inducono importanti sollecitazioni meccaniche, in particolare nel punto di contatto tra le superfici di materiali con diverso coefficiente di dilatazione termica. Tali stress possono portare alla degradazione o il guasto completo del modulo. Per dimostrare la ricchezza dei dati ottenibili dai test ciclici di un componente, Mentor ha effettuato una serie di verifiche con dei moduli Igbt di media potenza equipaggiati con due semiponti. I moduli sono stati fissati alla piastra raffreddata a liquido, integrata nel Power Tester 1500A, utilizzando un pad termico ad alta conducibilità per minimizzare la resistenza termica d'interfaccia. La piastra raffreddata è stata mantenuta a 25 °C durante l'intero esperimento grazie a un circuito di refrigerazione controllato direttamente dallo strumento. Una prima serie di prove su quattro campioni è stata condotta utilizzando tempi di riscaldamento e di raffreddamento costanti. I tempi di riscaldamento e raffreddamento sono stati scelti per generare uno swing di temperatura iniziale di 100 °C, a circa 200 W con 3 secondi di riscaldamento e 10 secondi di raffreddamento. Questo ha permesso di simulare fedelmente l'ambiente applicativo reale, dove il degrado della struttura termica comporta una temperatura di giunzione elevata che porta all'invecchiamento accelerato. Dei quattro dispositivi, il campione 3 si è guastato molto prima rispetto agli altri, poco dopo i 10.000 cicli. I campioni 0, 1, 2 sono durati più a lungo, guastandosi rispettivamente dopo 40.660, 41.476 e 43.489 cicli di accensione. La Fig. 5 mostra le funzioni strutturali generate dai transitori termici misurati sul campione 0 dopo ogni 5.000° ciclo. La regione pianeggiante intorno a 0,08 W/K corrisponde al punto di die-attach. La struttura è risultata stabile fino a 15.000 cicli; dopo quel punto, la degradazione si è manifestata in modo evidente, con la resistenza in continuo aumento fino alla rottura del dispositivo. La causa immediata del guasto del dispositivo è sconosciuta, ma l'anomalia si è manifestata con un corto circuito tra gate ed emettitore e tracce di bruciato sulla superficie del chip.
Una seconda serie di prove è stata eseguita su una serie di campioni identica, ma utilizzando una strategia differente tra quelle supportate dal Power Tester 1500A. I due semiponti nel modulo sono stati montati sulla stessa piastra di base ma su substrati separati. Tre dispositivi sono stati testati in due package. Due dei dispositivi testati, Igbt1 e Igbt3, facevano parte dello stesso modulo ma di un diverso semiponte. In questo caso è stata mantenuta costante la corrente per l'Igbt1, costante la potenza di riscaldamento per l'Igbt2, e costante la variazione di temperatura di giunzione per l'Igbt3. Le impostazioni sono state scelte per ottenere lo stesso aumento di temperatura di giunzione iniziale per tutti i componenti, con 3 secondi di riscaldamento e 17 secondi di raffreddamento e circa 240 W di riscaldamento iniziale. L'intero transitorio di riscaldamento e raffreddamento è stato misurato per ciascun dispositivo in tutti i cicli, tenendo costantemente sotto controllo i seguenti parametri elettrici e termici:
- tensione dispositivo con corrente di riscaldamento attiva
- corrente di riscaldamento applicata nell'ultimo ciclo
- step di potenza
- tensione dispositivo successivamente alla disattivazione della corrente di riscaldamento
- tensione del dispositivo prima dell'attivazione della corrente di riscaldamento
- temperatura di giunzione più alta durante l'ultimo ciclo di alimentazione
- temperatura minima di giunzione durante l'ultimo ciclo di alimentazione
- swing di temperatura nell'ultimo ciclo
- variazione della temperatura normalizzata dalla potenza di riscaldamento.
Il transitorio termico completo dallo stato stazionario di alimentato allo stato stazionario di non alimentato è stato misurato anche dopo 250 cicli utilizzando una corrente di riscaldamento di 10A per creare le funzioni strutturali necessarie per analizzare il degrado del percorso termico. L'esperimento è proseguito fino al guasto di tutti gli Igbt, che si è manifestato principalmente sotto forma di degradazione dei collegamenti al die. Grazie alla sua flessibilità, nei due casi esemplificativi il Power Tester 1500A ha permesso di evidenziare risultati differenti in funzione del tipo di ciclo di potenza utilizzato, fornendo utili indicazioni sulla vita dei dispositivi, consentendo di ridurre la mole di test e diagnosi di laboratorio, ed evitando processi post-mortem distruttivi.
