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Power Tester: power cycle test를 통한 전력반도체 가속수명시험 및 신뢰성 측정장비

지멘스 심센터 제품군의 MicReD 측정장비인 Power Tester 는 전력 반도체의 파워 사이클링 및 열 특성 분석을 통해 제품의 수명 주기 및 성능을 측정하고 검증하기 위한 제품으로 MicReD Industrial Power Tester 1500A, 2400A, 3600A 등을 공급하고 있습니다.

국내에서는 Delta ES 가 주도적으로 국내 총판역할을 수행하며, 고객사의 설치장소에 필요한 각종 전원공사를 비롯, 전용 칠러시스템, 전용 cold plate 및 고객사의 사용요구에 맞춘 맞춤형 cold plate, 간편 측정을 위한 각종 지그 등 부속장비 일체를 System Integration 으로 고객사에 Turn Key 방식으로 공급하고, 설치 후 캘리브레이션 서비스를 제공함으로써, 장비 사용에 불편함이 없도록 하고 있습니다.

또한, 24시간 지원체제를 갖추고 사용자의 사용불량으로 인한 장비의 결함문제 해결까지 지원하는 빠른 고객지원 서비스 시스템을 구축하고 있습니다.


<사진1> MicReD Industrial Power Tester 1500A 본체 사진

MicReD Industrial Power Tester 1500A(이하 PT1500A)는 '사진1'에서 보는 바와 같이 피아노 만한 크기에, 약 500Kg의 무게가 나가는 시스템 입니다. 정면 부의 손잡이가 달린 문을 열면 T3Ster(JEDEC 기반의 열저항 테스터기) 및 온도 제어용 냉각판 2개가 내장되어 있습니다.

<사진 2> 고출력 멀티 채널 구성


장비 이름에 1500A가 붙은 건 '사진2'에서 찾을 수 있습니다. 최대 500 암페어를 3채널에서 동시에 발생 시킬 수 있으며 MOSFET, IGBT, 범용 2극성 반도체와 같은 소자들을 최대 12개(3X4)까지 동시에 측정할 수 있습니다.


<사진3> 터치스크린 방식의 입력 변수 설정

<사진 4> 터치스크린 인터페이스

PT1500A는 터치 스크린 방식을 도입하여(사진 3, 4) 누구든지 쉽게 시스템 인터페이스에 접근할 수 있습니다. 특히 사용자들이 시스템을 편리하게 설정할 수 있도록 이해하기 쉬운 인터페이스를 제공하며, 테스트 중 웹이나 테블릿을 통해 원격으로 시험 진행 사항을 확인할 수 있습니다.

최근들어 전력 반도체가 실장된 어플리케이션들을 살펴보면

- Green Mobilities 분야: 하이브리드 자동차, 전기자동차,

- 재생 에너지 분야: 태양광 인버터, 풍력 에너지 발생기

- 철도 분야: 전기 기관차, 철도 견인 장치,

- UPS(무정전 전원장치 부품)와 같이 고전력이 소모되는 어플리케이션에 많이 적용되고 있는 것을 알 수 있습니다.


PT1500A는 이러한 어플리케이션에 실장된 IGBT, MOSFET과 같은 고출력 전력 반도체에 수백만번의 파워 사이클링을 공급하여 열로 인해 야기되는 열화 현상을 실시간 데이터로 저장하고 확인할 수 있습니다. 또한 온도, 파워, 시간과 같은 변수들을 시나리오화 하여 사용자가 원하는 대로 신뢰성 테스트를 진행할 수 있습니다.

<사진 5> 파워사이클 수행 후 정션온도 변화 그래프

전력 반도체가 파워 사이클에 노출되는 동안 고장에 이르는 과정과 사이클 횟수, 고장을 파악할 수 있는 인자(정션온도변화, 정션최대온도, 전력변화, 열저항 상승)에 대한 정보를 실시간 모니터링 할 수 있으며(사진 5), T3Ster의 구조 분석 그래프(Structure Function)의 변화를 통해 열에 의한 피로 파괴현상(칩 패드 및 와이어 오픈, 칩과 패키지 박리 및 균열, 솔더링 피로현상)을 추적하여 제품의 취약 부분을 확인할 수 있습니다(사진 6).


<사진 6> 파워사이클 수행 후 구조 분석 그래프의 변화

최종적으로 PT1500A를 통해 얻어진 특정 시험 조건에서 고장 시점까지 경과된 사이클 수와 정션온도 변화 등의 결과를 이용하여 전력 반도체의 수명주기를 산출할 수 있습니다. 또한 수명 시험은 많은 시간이 걸리는데 모든 조건에서 시험하는 것이 불가능하지만, 사용자가 원하는 시나리오로 구성하여 전력 반도체의 적절한 수명 주기를 계산할 수 있습니다. 온도와 파워 사이클의 상관관계를 모델링한 Arehnius 공식에 따라서 '사진7'과 같은 제품 수명 주기 그래프를 구현할 수 있습니다.

<사진 7> Arhnius 모델의 제품 수명 주기 산출 그래프

POWER TESTER 1500A 사양 파워테스터 1500A - Power Tester 1500A 전력 반도체 가속신뢰성분석기 파워 사이클링 테스터 1500A는 높은 전류에 대응하는 IGBT, MO SFET, Power D iode의 파워 사이클 링과 서멀 트랜 지언트 측정을 위해 설계되었습니다. 아래의 리스트는 전기적, 기계적 특성, 안전 사양, 기능 요약을 다루고 있습니다. 전기적 사양 ■ 전원 인가 사양 □ 0 - 1500A의 전류 동작 능력, 500mA의 해상력* ⊙ 3상 아키텍쳐 적용, 개별 3개 채널에 각각 500A를 동등하게 인가 ⊙ 50ms의 스위치 온 타임 ⊙ 100ms의 스위치 오프 타임 □ 0 - 8V의 VCE 전압 □ 0 - 30V의 VGS 전압, 0.1V 해상도* ■ 센싱 사양 □ 측정 전류 : ±1000mA/8, 0.5mA의 해상력* □ 7개의 시스템 온도 측정 ⊙ 0.1° C의 해상도를 가진 PT 100 Cold Plate Outlet 온도 센서 / Cold Plate 당 1개씩 탑재 ⊙ 0.1 ° C의 해상도를 가진 PT 100 Cold Plate Case 온도 센서 / Cold Plate 당 1개씩 탑재 ⊙ 3 개의 D UT 패키지 온도 센서로 정확도는 센서에 따라 상이하며 트랜지언트 측정이 가능 □ 게이트 전류 측정 : 200pA -100μA , 25pA의 해상도 이 장비는 한개의 DUT를 1500A까지 측정하거나, 최대 12개의 DUT 를 3채널 x 500A로 측정할 수 있습니다. 3상 모드의 경우 각 테스트의 타이밍 파라미터는 각 상에 맞게 같아야하며, 시스템은 싱크로 모드로 동작합니다. ■ 측정 사양 □ 트랜지언트 수집을 위한 3개의 입력 채널 □ ±10V의 입력 범위 □ 최대 12μV의 해상도 □ 1μs의 시간해상도 □ 연속적인 샘플링으로 시간과 사이클 횟수의 함수상의 DUT 전압과 게이트 전류를 실시간으로 모니터링 ■ 외부 입력전원 요구사항 □ 3상, 440V, 45A □ 각 상의 상태는 장비에 의해 모니터링 기계적 사양 ■ 크기(L x W x H) : 1400mm x 900mm x 1300mm ■ 무게 : 500kg(포장중량 540kg) ■ 캘리브래이션용 Cold Plate와 측정용 Cold Plate(400 x 300mm) □ 캘리브래이션은 별매의 Julabo 서모스탯이 필요 □ 측정용은 급수시설이 권장 □ 서모스탯과 급수시설은 장비 후면의 커낵터를 이용해서 외장으로 연결 □ Plate의 픽스쳐는 DUT를 쉽고 간편하게 고정 □ DUT의 사이즈와 장착위치는 가변적으로 적용가능 ■ 측정 스테이션 영역은 단열처리 된 렉산도어를 사용해서 장시간의 측정에도 온도에 대한 영향을 제거 ■ 시스템은 인체공학적인 15인치의 터치 스크린 방식의 PC 탑재 안전 사양 ■ 시스템은 동작 상태를 보여주는 표준 4색 타워 라이트를 탑재 ■ 측정 스테이션 영역은 다음의 경우에 전원공급을 즉시 중단하는 안전 사양이 적용 □ 스모크 알람 □ 과열 알람 □ Cold Plate 누수 □ 급수관에서 Cold Plate로의 유량센서의 이상감지 □ 수동 정지 버튼 ■ 고전류 인가는, 렉산도어가 닫혀 있어 측정 영역에 사람이 접촉을 할 수 없을 경우에만 허용 동작 사양 ​ ■ 컴퓨터 컨트롤 □ 빌트인 PC에 의해 장비의 제어와 결과 산출이 가능 □ 사용자 친화적인 터치스크린 인터페이스 탑재 □ 엔지니어 및 오퍼레이트 모드 선택 □ 측정 결과는 USB나 인터넷을 통해서 다운로드 하거나 관찰가능 ■ 측정 모드 □ Rth (열 저항) 측정 모드 ⊙ JEDEC JESD 51-1의 Static Test 방식을 따른 열 저항 측정과 정션온도 산출을 위한 서멀 트랜지언트 측정 ⊙ 결과에 대응한 구조분석그래프(Structure Function) 산출 ⊙ JEDEC JESD 51-14의 Dual Interface 방식을 통한 Rthj-c 산출 지원 □ 파워 사이클링 + Rth (열 저항) 측정 모드 ⊙ 시스템은 사이클 과 시간의 함수 상에서 DUT에 주어지거나 걸려나오는 전압, 게이트 전류, 온도 센서의 값 등을 수집 ⊙ 열 저항 측정의 주기는 사용자에 의해 정의 되거나, 게이트 전류나 전압의 상승 시 시스템이 자동적으로 수집 회수 증가 ⊙다양한 전원 제어 시나리오는 지원 예정

Current Cycling VS. Time


■ Constant ton and toff, DUT 열화는 즉시 온도에 반영, 온도에 대한 손실 미보상 - 작동 시간을 일정하게 고정

■ Constant ΔTc, 케이스 온도 의 변화 값을 고정시키도록 전류부하는 자동으로 조정 적용 - 케이스 온도의 변화 값을 고정

■ Constant ton and toff, DUT 열화는 즉시 온도에 반영되고, 해당 모드에서는 온도에 대한 손실을 보상되지 않아야 하기 때문에, 냉매 유량 등이 적절히 고정

■ Constant ΔTj, 장기간의 사이클 테스트가 가능한 보다 완화된 조건의 테스트 전략을 구사할 수 있도록 전류를 통제 – 정션온도의 변화 값을 일정한 값으로 고정

■ Constant ΔP, 전류를 통제해서 인가되는 파워레벨을 일정하게 유지 * 0.5% 이내의 우수한 정확도가 적용됩니다.

파워테스터 - Power Tester 1500A, 2400A, 3600A 소개자료

전력 반도체를 위한 가속신뢰성분석기

PT1500A 장비 사진


Siemens DISW 심센터 제품 군 내 MicReD 파워테스터 1500A, 2400A, 3600A(또는 PT1500A, PT2400A, PT3600A)는 전력 반도체 구성품의 생산 및 개발 시에 발생할 수 있는 결함 분석과 자동 측정을 수행합니다. 소비자와 산업용 전기 시스템의 에너지 사용량은 갈수록 증가함에 따라, 전력 부품의 생산 주체들은 항공, 전기자동차, 철도, 발전, 신 재생에너지와 같이 신뢰성이 요구되는 시스템에 대한 공급에 집중하고 있습니다. PT1500A, PT2400A, PT3600A는 전력 반도체 구성품이 실험 중 고장에 이르기까지 실시간으로 다양한 조건에서 수만에서 수백만 사이클의 테스트를 수행하며 기록합니다.


다양한 측정 시나리오를 사용한 사이클 테스팅 중 DUT 정션온도(Tj)의 변화 값을 표시한 예

실시간 고장 분석

PT1500A, PT2400A, PT3600A는 생산현장이나 실험실에서 실시간으로 전력 반도체 시스템이 고장에 이르는 과정을 분석하고 기록할 수 있는 전세계 유일의 장비입니다. 이 장비는 전력 반도체 모듈을 사용하는 시스템의 신뢰성을 테스트해서 제품의 수명 주기를 산출할 수 있도록 설계되었습니다. PT1500A, PT2400A, PT3600A는 전력 시스템, LED, 전자부품의 성능 향상에 필수인 열 측정 및 분석 기술의 정점으로 불리는 MicReD T3Ster(트리스터)의 산업용 모델입니다. 특히 DUT (Device Under Test, 실험 대상)를 신뢰성 테스트를 위해 실험 도중 변형이나 실험 환경 이전 등이 필요 없이 하나의 장비에서 동시에 자동화된 파워 사이클 테스트를 할 수 있어, 실험의 신뢰도를 극도로 향상시킵니다. 터치스크린 인터페이스는 사용하기 쉽고 직관적이라 신뢰성 테스트에 대해 비 전문가인 생산 부서의 요원이나 전문가인 실험실의 고장 분석 엔지니어 모두 사용하기 쉽도록 되어 있습니다.

PT1500A, PT2400A, PT3600A는 온도, 전압, 전류 등을 실험 중에 감지해 실시간 구조분석그래프(Structure Function)을 통해 시스템의 변화나 고장을 분석합니다. 패키지 개발이나, 신뢰성 분석, 생산 투입 전 부품에 대한 배치(Batch) 체크의 속도와 품질을 향상 시키기 위해 이 장비는 사용되고 있습니다.

파워 사이클 테스트를 하는 동안, 실시간 구조분석그래프(Structure Function)는 DUT가 성능이 떨어지면서 고장에 이르는 과정, 해당 사이클 횟수, 고장의 발생 시점을 보여주고 기록해서 실험에 대한 사후 분석의 필요성을 제거했습니다. 따라서 더 이상 다수의 샘플을 장시간 사이클 테스트를 하면서 열화가 되는 구간과 시기를 일일이 확인할 필요가 없습니다. 또 한 열화가 되는 구간을 정확히 확인하기 위 해 과도하게 열 측정을 해야할 필요도 사라졌습니다. DUT를 단지 파워테스트에 장착하고 연결한 후 사이클링에 대한 조건만 입력하면 됩니다.

PT1500A, PT2400A, PT3600A를 통해서 전력시스템 공급자는 보다 신뢰성이 향상된 제품을 시장에 공급하고 사용자에게는 믿을만한 사양서를 제공할 수 있습니다. PT1500A, PT2400A, PT3600A에서 산출된 실험 및 분석 데이터는 FloTHERM과 FloEFD와 같은 CFD(전산유체역학) 해석 소프트웨어의 모델을 만들고 검증할 수 있습니다.

주요 특징

■ 필드 테스트 테크놀로지: 산업현장에서 정확한 열 특성 산출이 가능해 전세계에서 사용되고 있는 우수한 열 측정 장비이며, T3Ster를 기반으로 탄생했습니다.

■ 다양한 전력 반도체 소자의 측정: MOSFET(Metal-Oxide Semiconductor Field-Effect Transistor)​, IGBT(Insulated-Gate Bipolar Transistor), Power Diode

■ 고장에 이르기까지의 끊임없는 파워 사이클링 수행: DUT를 실험 중에 적절한 처치를 위해 수정, 별도의 분석을 위해 실험실에서 따로 테스트를 수행, 이후 다시 사이클 테스트 수행과 같은 전통적인 신뢰성 실험방법을 배제하도록 하나의 장비에서 한번에 테스트 할 수 있어서 상당한 시간을 절약할 수 있습니다.

■ 사용자 편의의 터치 스크린 인터페이스: 터치 스크린 상에서 테스트 중의 전류, 전압, 온도, 패키지의 구조와 열화도를 확인할 수 있는 구조분석그래프(Structure Function)과 같은 다양한 정보를 확인할 수 있습니다.

■ 다양한 전원 인가 시나리오 모드: Constant Power On/Off Time, Constant Case Temperature Swing, Constant Junction Temperature Rise, Constant Applied Power

■ 실시간 구조분석그래프(Structure Function) 분석: 고장에 이르는 과정, 당시의 사이클 횟수, 고장 발생에 대한 결과를 바로 획득하고 확인할 수 있습니다.

■ 실험 사후 분석과 파괴 검사의 불필요: 엑스레이, 초음파, 시간과 비용이 많이 드는 DUT 파괴 분석이 전혀 필요 없습니다.

■ 쉬운 사용법: 분석 전문가나 생산부서 요원 모두 사용할 수 있습니다.

■ 강화된 안전 사양: 과열, 연기, 냉매 유출 탐지 사양이 적용되어 장비 혼자 작동 시에도 안전성을 확보했습니다.

■ 동시병행측정: 동시에 12개의 DUT를 측정할 수 있습니다. (PT1500A)

■ 측정 중 원격 감시 및 접속: 테블릿이나 컴퓨터를 통해 측정 진행 사항을 확인할 수 있습니다.


 

* 납품고객사

현대자동차 남양, 현대자동차 의왕, 현대모비스, LG전자 VS, L-Magna, KEC, APRO, ON Semiconductor, 부산테크노파크, 한양대학교 외 15개 기업체 및 출연연구기관

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