Stressar kraftelektroniken till döds

Kraftelektronik utsätts för mycket termisk stress som i värsta fall kan få bondtrådar eller substrat att spricka. Men var går gränsen för vad en konstruktion tål? Det vill Micred, Mentors nya testare för kraftelektronik, ge svar på.

Ju mer ström det går genom en kraftmodul, desto varmare blir den. När strömmen går upp och ned varierar temperaturen och konstruktionen utsätts för stress. Svaga punkter i form av dåligt valda materialkombinationer med olika utvidgningskoefficienter eller bondtrådar som ska ta upp rörelser kan spricka eller lossna.

Testaren kan användas både för utvecklingsverksamhet och för kvalitetskontroll av inkommande gods i en fabrik.

- Det här är tester som tar lång tid, flera dagar eller veckor. Modulerna körs ofta i hembyggda teststationer där de cyklas, säger John Parry på Mentor.

Efter ett visst antal cykler tas de in i labbet för elektriska tester och är allt bra fortsätts cyklandet.

- När något till slut går sönder gör man en obduktion med röntgen, ultraljud och andra utrustningar för att hitta felorsaken. Men när en del går sönder leder det till följdfel. Så det är svårt att hitta det ursprungliga felet.

Det är här som Micred kommer in. Testaren bygger på forskning som knoppats av från universitetet i Budapest och som Mentor köpte för rätt många år sedan. Nu har produkten vidareutvecklats så att den klarar att automatiskt cykla tre kraftelektronikmoduler med maximalt 500 A samtidigt som den mäter och loggar utvalda parametrar. Alternativt kan man köra en modul upp till 1 500 A.

Därmed får man en bra bild av vad som händer när modulen börjar degradera.

- Med Micred siktar vi in oss på IGBT-produkter.

Det är en snabbväxande marknad eftersom krafttransistorn används i kraftelektronik till bland annat motorstyrning, solceller, elbilar, tåg och vindkraftverk.

- Vi täcker minst 70 procent av alla IGBT-tillämpningar, säger John Parry.

Dessutom är kraven på den här typen av kraftelektronik extremt höga. Som konsumenter förväntar vi oss att en hybridbil ska fungera lika länge som en bensinbil och den som bygger vindkraft till havs räknar inte med att behöva reparera vindsnurrorna titt som tätt.

- Kraftmodulerna måste ha en livslängd på miljoner cykler snarare än tiotusentals.

Det som får dem att degradera är framförallt värmen i kombination med höga strömmar och den cykling som de utsätts för.

Men exakt hur modulerna ska stressas är det upp till användarna att definiera.

- Det går att få viss vägledning av Jedec-standarderna även om de inte täcker ren kraftelektronik, säger László Tolnay.