Az IGBT hibamechanizmusok kapcsolata a porozitással

Az IGBT hibamechanizmusok kapcsolata a porozitással

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

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

IGBT (insulated-gate bipolar transistor)

IGBT (insulated-gate bipolar transistor)

Számos modern készülékben kapcsol elektromos áramot, ilyen készülékek lehetnek pl: változó frekvenciájú eszközök (VFD), elektromos autók, vonatok, változó sebességű hűtőrendszerek, szélturbinák, baréterek, légkondicionálók, rizsfőző edények vagy akár sztereo erősítős hangfalaknál is.

VFD (variable-frequency drive) kívülről és belülről

VFD (variable-frequency drive) kívülről és belülről

Ezek a készülékek nagyon bonyolultak, drágák és hatalmas igényeket támasztanak a részegységek felé. A terepen használt IGBT egységekben előforduló meghibásodási mechanizmusok többsége a megemelkedett belső hőmérsékletre és/vagy a hőfeszültségre vezethető vissza. A hibák többsége terepen jelentkezik. Bebizonyosodott és elfogadott tény, hogy a kritikus interfészek porozitása a legfőbb okozói ezeknek.

BGA (ball grid array) porozitás

BGA (ball grid array) porozitás

A probléma megoldását kutatva felfedeztük, hogy a röntgentechnológia olyan roncsolásmentes anyagvizsgálati módszer, amellyel 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, melyek cseréje meglehetősen költséges. Hiszen nemcsak a cserélendő egység drága, hanem a csere is magas ráfordítással jár az egység elhelyezkedése és az egyéb felmerülő költségek miatt is. Ezek az egységek gyakran távoli vagy kritikus elhelyezkedésűek, így a meghibásodások magas kiadásokat és garanciális problémákat okoznak.

A fenti képen jellegzetes porozitás látható, míg a lenti egy olyan forrasztópaszta használatával készült, amelyet úgy terveztek, hogy minimálisra csökkentse a porozitást, a BTC porozitás megszüntetése érdekében.

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

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 kialakításban 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 ellenállásuk, 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 vannak ezeken a szerelvényeken, ehhez adódik még a porozitás problémája, így 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 kép egyértelműen demonstrálja ezt a folyamatot:

Hővezetési folyamat sematikus ábrája az IGBT modulban

Hővezetési folyamat sematikus ábrája az IGBT modulban

Egyes előrelátó vállalatok a végeselemes 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, mely az alábbi képen látható.

A dőlt szögből történő CT vizsgálat kínálja a legjobb megoldást ebben a feladatban, hiszen lehetővé teszi a termikus és 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.

Termikus és mechanikai felületek vizsgálata három-dimenziós CT felvételen

Termikus és mechanikai felületek vizsgálata három-dimenziós CT felvételen

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

 

Kapcsolódó termékpalettánk, elektronikai célra ajánlott CT berendezéseink műszaki leírásáért kattintson!

 

Kelenföldi Brigitta

szakterületi üzletkötő – radiográfia

Tel.: 06 1 420 5883, E-mail: info@grimas.hu

Elérhető dokumentumok