Műszaki diagnosztika

Az IGBT-hibamechanizmusok kapcsolata a porozitással

A dőlt szögből történő CT-vizsgálat a legjobb átvilágítási megoldás az IGBT PSD elektronikai alkatrészek ellenőrzéséhez.

hirdetés

Az IGBT (szigetelt vezérlőelektródás bipoláris tranzisztor) olyan háromlábú PSD (teljesítmény-félvezető eszköz), amelyet a nagy hatékonyság és gyors kapcsolás előnyeinek ötvözésére fejlesztettek ki, és leginkább elektronikus kapcsolóként használják.

Tipikus IGBT (forrás: Grimas)
Tipikus IGBT (forrás: Grimas)

Számos modern készülékben kapcsol elektromos áramot, ilyen készülékek lehetnek többek között változó frekvenciájú eszközök (VFD), elektromos autók, vonatok, változó sebességű hűtőrendszerek, szélturbinák, baréterek, légkondicionálók, rizsfőző edények vagy akár sztereó erősítős hangfalak is. Ezek a készülékek nagyon bonyolultak, drágák, és hatalmas igényeket támasztanak a részegységek felé. Az IGBT-egységekben előforduló meghibásodási mechanizmusok többsége a megemelkedett belső hőmérsékletre és/vagy a hőfeszültségre vezethető vissza. A hibák többsége terepen jelentkezik, és bebizonyosodott és elfogadott tény, hogy a kritikus interfészek porozitása a legfőbb okozója ezeknek.

A gyártási folyamat fejlesztése

Röntgentechnológiával a gyártás alatt és közvetlenül utána is vizsgálható az alkatrész, annak bármiféle károsodása nélkül. A cél a gyártási folyamat fejlesztése a porozitás okozta selejt csökkentésével, így növelve azon alkatrészek hosszú távú megbízhatóságát, amelyek cseréje meglehetősen költséges. Hiszen nemcsak a cserélendő egység drága, hanem a csere is magas ráfordítással jár a sokszor nehezen hozzáférhető egység és az egyéb felmerülő költségek miatt is. Ezek az egységek gyakran távoli vagy kritikus elhelyezkedésűek, így a meghibásodások jelentős kiadásokat és garanciális problémákat okoznak.

BGA (ball grid array) porozitása
BGA (ball grid array) porozitása

A háztartási eszközök esetében egyre inkább megkövetelik az inverteralapú motoros hajtásokat, amelyek jobb teljesítményt, nagyobb kényelmet és hatékonyságot nyújtanak: mindenki csúcskategóriás termékeket akar. A fogyasztók egyre fejlettebb háztartási megoldásokat használnak, mint például az indukciós lemezek rizsfőző készülékekhez. Ezek az új alkalmazások hozzájárulnak az IGBT iránti igény növekedéséhez a fogyasztói alkalmazásokban, és az árak visszafogására is kihatnak a gyártási ciklus során. A selejt csökkentése ezért kulcsfontosságú a technológia folyamatos sikeréhez.

Veszélyes porozitások

Az IGBT-modul réteges kialakításának célja egy hatékony, alacsony hőellenállású útvonal létrehozása az áramkör tetejétől egy szerszámon át a hűtőborda aljáig, ahol a hő végül elvezetésre kerül. Ebben a jellegzetes kivitelben a hő a szerszámmal együtt öt réteg anyagon halad keresztül. A kerámia alapanyagot és a hűtőbordát részben azért választják, mert alacsony a hőenergia terjedésével szembeni ellenállása, ahogyan a hővezető anyagoknak (TIM) is.

IGBT-modul réteges felépítése
IGBT-modul réteges felépítése

Amint az a fenti ábrán is látható, különböző anyagok és feszültséggel teli csomópontok találhatók ezeken a szerelvényeken, ehhez adódik még a porozitás problémája, így szinte kész csoda, ha nem jelentkezik hiba.

A kis hőenergia általában áthalad a réseken (porozitáson), azonban visszafordulhat a szerszám felé is. A résmentes területeken a hővezetés és a hősugárzás továbbhalad az anyagfelületeken a hűtőborda aljáig, ahol a hő kivezetődik a modulból. Ráadásul minél nagyobb az anyaghiány teljes x-y irányú felülete, annál nagyobb hőenergiát irányít vissza a szerszámba, és annál nagyobb az IGBT meghibásodásának veszélye is. Az alábbi ábra egyértelműen demonstrálja ezt a folyamatot.

Hővezetési folyamat sematikus ábrája az IGBT-modulban
Hővezetési folyamat sematikus ábrája az IGBT-modulban

Röntgen helyett CT

Egyes előrelátó vállalatok a véges elemes modellezéshez folyamodtak a hibák megelőzése érdekében, de a porozitást nem olyan egyszerű tényezőként beilleszteni egy egyenletbe, mivel ez nem egy állandó, így ez a módszer sajnos nem szolgál kielégítő megoldásként a problémára. A hagyományos röntgentechnológia számára még megoldandó feladat a porozitás megfelelő kimutathatósága. Egyelőre a röntgenfelvételeken megjelenő hőfelületek számából és az IGBT-szerelvényeken látható megvastagodott réz hűtőbordákból lehet következtetéseket levonni, amit az alábbi ábra személtet.

Bizonyos következtetésekre alkalmas röntgenfelvétel
Bizonyos következtetésekre alkalmas röntgenfelvétel

A dőlt szögből történő CT-vizsgálat kínálja a legjobb megoldást ebben a feladatban, hiszen lehetővé teszi a termikus és a mechanikai felületeken lévő hibák vizsgálatát egyaránt, akár automatikusan is, és az előre beállított határértékekhez képest mért áthaladásból következtethető a porozitás, így előre megjósolható a meghibásodás lehetősége.

Ezenkívül a készülék vagy alkatrész 3D-modellje könnyedén és gyorsan felépíthető és szeletelhető a kulcsfontosságú területek vizsgálatának érdekében.

Összeállított modul CT-felvétele
Összeállított modul CT-felvétele

hirdetés
Ha hozzá kíván szólni, jelentkezzen be!
 
hirdetés
hirdetés
hirdetés

Kiadónk társoldalai

hirdetés