Acoustic emission-based prognostics of power semiconductor modules
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Authors
Date
2024-05-20
Department
Major/Subject
Electronic and Digital Systems
Mcode
ELEC3060
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
73
Series
Abstract
In recent years, the prognostics of power semiconductor modules (PSMs) have been a subject of significant interest. Exploring acoustic emissions (AEs) as a potential early warning system for PSM failure represents a novel avenue of research. This thesis investigated the generation of AEs and evaluated whether using acoustic emission signals in the prognostics of PSMs would be viable. Previous studies have revealed that AEs primarily propagate in the solder layers, with the combined effect of electromagnetic force and thermoelastic effect being the most likely cause behind them. These findings, coupled with the finding that parameters such as cumulative acoustic emission count and energy, power spectral density, and frequency distribution can provide insight into the degradation process, offer a promising outlook for using AEs in PSM prognostics. In this study, the acoustic emissions were first measured with a new insulated-gate bipolar transistor (IGBT) module. Two IGBT modules were then aged in a power cycling test, which mainly caused bond wire fractures and lift-off. Then, the AEs of the aged devices were measured again to be compared. The sensors used included a custom-developed AE sensor package with seven resonant sensors. They can detect AEs at a few kHz range around the resonant frequency, covering the range of 50 - 250 kHz. Another sensor was also used, a commercial AE sensor with an operating frequency range of 50 - 200 kHz. The data was acquired using a double pulse tester, which applies two consecutive pulses to the IGBT. This setup ensured that the AEs were measured with a small amount of noise and that the tests were repeatable. The acquired signals were then analyzed in both time and frequency domains, and signal energy was also calculated for each pulse, providing further details. Based on the analysis, only small changes in the spectra could be detected. This indicates that AEs cannot detect bond wire fatigue reliably in the 50 - 250 kHz range. However, previous research has shown that monitoring the die attach condition would be possible in this frequency range. Therefore further research into AE-based prognostics is recommended, especially for online monitoring of die attach.Viimeisen vuosikymmenen aikana tehopuolijohdemoduulien prognostiikka on saavuttanut paljon tutkimusta. Akustisten emissioiden (AE) hyödyntäminen tehopuolijohdemoduulien prognostiikassa edustaa uutta lähestymistapaa, jolla vikaantumisista olisi mahdollista saada aikaisia varoituksia. Tämä diplomityö selviti akustisten emissioden syntymekanimeja, sekä tutki signaalien hyödyntämistä prognostiikassa. Aikaisemmissa tutkimuksissa on saatu selville, että AE:t saavat alkunsa enimmäkseen puolijohdesirun juotteessa. Emissoiden syntyyn vaikuttavat sähkömagneettisen voiman sekä thermoelastisen ilmiön yhteisvaikutus. Lisäksi on havaittu, että parametrien, kuten kumulatiivisten akustisten emissioiden lukumäärän ja energian, tehospektrin tiheyden, sekä taajuuskomponenttien jakautuman muutokset voivat korreloida tehopuolijohdemoduulin vikaantumisprosessin kanssa. Tässä työssä tutkittiin tehopuolijohdemoduulien synnyttämiä akustisia emissioita siten, että uudella IGBT (insulated-gate bipolar transistor) -moduulilla tehtiin referenssimittauksia tuplapulssitesteriä hyödyntämällä. Tuplapulssitesteri mahdollisti sen, että IGBT:tä voidaan kytkeä hallitusti ja häiriöiden määrä pysyy vähäisenä. Referenssimittausten jälkeen kahdesta IGBT-moduulista vanhennettiin yhteensä neljä IGBT-sirua tehosyklitestissä. Hallitseva vikamekanismi oli lankaliitosten halkeilu ja irtoaminen. Vanhennuksen jälkeen AE:iden mittaukset toistettiin kaikilla vanhennetuilla näytteillä sekä kolmannella IGBT-moduulilla, jotta referenssidataa olisi riittävästi. AE:ita mitattiin kahdella anturilla, joista toinen oli kehitetty tätä testiä varten ja toinen oli kaupallinen anturi. Antureiden taajuusalueet olivat välillä 50 - 250 kHz. Dataa analysoitiin aika- sekä taajuustasossa, ja jokaisen mitatun signaalin energia laskettiin. Tuloksia vertailemalla voitiin varmistaa, että AE:t johtuvat enimmäkseen poiskytkennästä. Olennaista oli selvittää, löytyykö vertailuissa merkkejä liitoslankojen vanhenemisesta. Datasta ei löytynyt selkeitä viitteitä siihen, että vaurioita olisi syntynyt, joten liitoslankojen vaurioiden monitorointi valitulla 50 - 250 kHz taajuusalueella ei ole mahdollista kyseisillä antureilla ja datan käsittelymenetelmillä. Tästä huolimatta aikaisemmissa tutkimuksissa on todettu, että puolijohteen juotteen vaurioiden monitorointi olisi mahdollista tällä taajuusalueella, joten aihetta on syytä tutkia lisää.Description
Supervisor
Vuorinen, VesaThesis advisor
Leppänen, Veli-MattiKeywords
power semiconductor, prognostics, acoustic emission, condition monitoring, IGBT