Test automatizzati di affidabilità dei semiconduttori

I test sui semiconduttori di potenza rappresentano un'attività fondamentale nei settori automobilistico, delle energie rinnovabili, degli azionamenti industriali e del trasporto ferroviario. Presso il proprio sito produttivo e di sviluppo di Warstein, in Germania, Infineon Technologies ha implementato un banco prova automatizzato basato su controllo PC e tecnologia di misura EtherCAT per migliorare l'efficienza e la precisione della calibrazione della temperatura di giunzione, una fase essenziale nei test di affidabilità tramite power cycling.

Produzione di semiconduttori di potenza e valutazione dell'affidabilità
Infineon Technologies sviluppa e produce semiconduttori di potenza con correnti comprese tra pochi ampere e 3.000 A presso il sito di Warstein. Lo stabilimento rappresenta un importante centro di ricerca, sviluppo e produzione per i Frame Power Modules (FPM), utilizzati in inverter per veicoli elettrici, sistemi di azionamento industriale, applicazioni ferroviarie e impianti eolici e fotovoltaici.

I test di affidabilità sono indispensabili per queste applicazioni poiché i semiconduttori di potenza sono sottoposti a ripetute sollecitazioni termiche ed elettriche durante il funzionamento. I test di power cycling consentono di valutare il comportamento dei componenti sotto cicli di carico ripetuti e di prevederne l'affidabilità a lungo termine.

Un requisito fondamentale di queste prove è la determinazione accurata della temperatura di giunzione. Per ottenere questo risultato, gli ingegneri devono innanzitutto generare curve di calibrazione che correlino le misure elettriche alla temperatura del semiconduttore.

Le sfide dei processi di calibrazione manuali
Prima dell'automazione, la procedura di calibrazione di Infineon si basava in larga misura su operazioni manuali. Gli ingegneri configuravano manualmente la corrente di misura e la tensione di gate prima di registrare i valori di tensione dei moduli tramite uno strumento di acquisizione calibrato.

Questo processo presentava diverse criticità operative. L'apparecchiatura di registrazione non disponeva di funzioni automatiche di rilevamento guasti o di notifica, rendendo necessaria una supervisione continua da parte degli operatori. Inoltre, poiché il registratore non era connesso in rete, i dati dovevano essere trasferiti manualmente tramite schede SD o dispositivi USB prima di poter essere analizzati su un computer separato.

Secondo il team del laboratorio prove, il processo dipendeva fortemente dall'esperienza degli operatori e richiedeva un impiego significativo del tempo disponibile sui banchi prova. Considerati gli elevati costi di investimento e infrastruttura associati ai sistemi di power cycling, massimizzarne l'utilizzo è diventato un obiettivo prioritario.

Scelta di un'architettura di banco prova automatizzata
Intorno al 2023, Infineon ha iniziato a valutare soluzioni per automatizzare il processo di calibrazione. L'azienda ha scelto una soluzione basata sulla piattaforma di controllo PC Beckhoff, sul software di automazione TwinCAT e sulla tecnologia di misura EtherCAT.

La decisione è stata guidata da diversi requisiti tecnici. Il sistema doveva supportare differenti tecnologie di semiconduttori, integrarsi con il software di laboratorio esistente, garantire elevata precisione di misura e ridurre le attività di configurazione manuale.

Il banco prova risultante utilizza il PC embedded Beckhoff CX5140 e il software TwinCAT 3 per controllare tutti i parametri di misura e ambientali. La piattaforma è integrata con il software di misura LabVIEW già in uso, consentendo la gestione in tempo reale delle impostazioni, dell'acquisizione dati e dell'esecuzione dei test.

Misure ad alta precisione per la calibrazione della temperatura di giunzione
Il sistema automatizzato è in grado di calibrare un'ampia gamma di dispositivi semiconduttori, tra cui diodi, transistor bipolari a gate isolato (IGBT) e MOSFET in carburo di silicio (SiC).

All'interno del forno di prova possono essere installati contemporaneamente fino a 32 moduli semiconduttori. Le correnti di misura vengono controllate tramite comunicazione TCP/IP e software TwinCAT, mentre il terminale di misura EtherCAT ELM3102-0100 registra le tensioni ai terminali dei moduli una volta raggiunta la temperatura impostata.

Il terminale offre una risoluzione di 24 bit e una precisione di misura dello 0,01%, supportando la generazione di curve di calibrazione altamente affidabili. Durante la validazione del sistema, il laboratorio ha riscontrato che i valori di tensione misurati dal terminale EtherCAT coincidevano con gli standard di calibrazione fino alla sesta cifra decimale.

Anche la generazione delle correnti di misura è stata realizzata utilizzando esclusivamente terminali EtherCAT standard. Combinando terminali di controllo LED, terminali di ingresso analogico e terminali di alimentazione, il laboratorio ha ottenuto un controllo della corrente da 10 mA a 500 mA con una precisione di 0,1 mA mantenendo l'isolamento tra i canali.

Implementazione e integrazione nel laboratorio
La soluzione automatizzata è stata progettata per ridurre al minimo la complessità operativa per il personale del laboratorio. Gli operatori devono semplicemente inserire il numero identificativo del modulo da testare.

Dopo l'avvio, TwinCAT gestisce automaticamente il controllo della temperatura del forno, la generazione delle correnti di misura, la configurazione delle tensioni di gate, l'acquisizione dei dati e la generazione delle curve di calibrazione. Questo riduce significativamente l'intervento manuale durante l'intero processo di prova.

L'integrazione con l'infrastruttura esistente del laboratorio ha consentito l'implementazione senza sostituire i flussi di lavoro consolidati del software di misura, riducendo la complessità del progetto e le esigenze di formazione del personale.

Risultati: maggiore produttività e migliore utilizzo delle apparecchiature
L'introduzione del controllo automatizzato del banco prova ha ridotto di circa un'ora il tempo di preparazione per ogni test. La combinazione tra configurazione automatica e misure ad alta precisione ha migliorato sia la coerenza dei risultati sia l'affidabilità complessiva del processo di calibrazione.

L'automazione ha inoltre reso possibile il funzionamento non presidiato durante la notte, consentendo al laboratorio di eseguire due test completi al giorno. Inoltre, l'apertura automatica della porta del forno controllata da TwinCAT ha ridotto i tempi di raffreddamento e accelerato la preparazione dei test successivi.

Questi miglioramenti hanno aumentato la capacità di test e contribuito direttamente a una maggiore efficacia complessiva delle apparecchiature (OEE), aiutando il laboratorio a rispettare programmi di sviluppo particolarmente impegnativi e a utilizzare in modo più efficiente infrastrutture di prova ad alto costo.

Estensione ad altri stabilimenti
Dopo il successo dell'implementazione presso il sito di Warstein, Infineon prevede di installare sistemi analoghi in altre due sedi. Una di queste installazioni è programmata presso lo stabilimento produttivo dell'azienda in Ungheria.

L'azienda sta inoltre lavorando a un ulteriore livello di automazione collegando i dati identificativi dei moduli a un database centralizzato. L'obiettivo è recuperare automaticamente le informazioni relative alle curve di calibrazione sulla base degli ID dei moduli, riducendo ulteriormente gli interventi manuali e migliorando l'efficienza del laboratorio.

Questo progetto dimostra come l'automazione industriale, la tecnologia di misura EtherCAT e l'integrazione digitale dei banchi prova possano migliorare l'efficienza dei test di affidabilità dei semiconduttori aumentando al contempo l'utilizzo di risorse di laboratorio ad alto valore.

Edito da Aishwarya Mambet, redattrice di Induportals, con il supporto dell’IA.

www.beckhoff.com