Development and Verification of Combined Cycling Methods in Lifetime Testing for Power Modules
No Thumbnail Available
URL
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
Sähkötekniikan korkeakoulu |
Master's thesis
Ask about the availability of the thesis by sending email to the Aalto University Learning Centre oppimiskeskus@aalto.fi
Authors
Date
2017-05-22
Department
Major/Subject
Electrical Power and Energy Engineering
Mcode
ELEC3024
Degree programme
AEE - Master’s Programme in Automation and Electrical Engineering (TS2013)
Language
en
Pages
10+64
Series
Abstract
In this thesis, the development and verification process for a lifetime test of power modules with a combined cycling methods is described. The combined cycling test merges a slow thermal cycling and a fast power cycling into one unified test. This test imitates the typical operation conditions of a power module more realistically and provides a better understanding of the power module lifetime compared to separate cycling tests. The lifetime of the power module can be estimated using the cycling capability graphs provided by the power module manufacturer. Typically, the strength of the bond wires is tested with the fast power cycling whereas the solder degradation is approached with the slow thermal cycling. Still, these failure mechanisms are linked together. A collector-emitter saturation voltage Vcesat is used to estimate the virtual junction temperature Tvj of IGBT. The temperature information is required when the cycling capability graphs are used in lifetime estimation. In this case, the failure of the power module is defined as an increase of the collector-emitter saturation voltage Vcesat which is monitored via measurement software. The combined cycling test performed well during the experiment and the results obtained were in line with the microscope images taken from the power modules afterwards. It was also discovered that the linear relationship Vcesat - Tvj varies depending on the power module type.Tässä työssä verifiointiin ja koestettiin tehomoduulien elinikätestausprosessi yhdistettyjen syklausmenetelmien avulla. Yhdistetty syklitesti liittää hitaan lämpösyklauksen sekä nopean tehosyklauksen yhteen yhdeksi testiksi. Sen tarkoituksena on jäljitellä tehomoduulin tyypillisiä toimintaolosuhteita mahdollisimman totuudenmukaisesti ja antaa parempi käsitys tehomoduulin eliniästä verrattuna erillisiin elinikätesteihin. Tehomoduulin elinikä on tyypillisesti arvioitavissa valmistajan tarjoamista syklikestoisuuskäyristä. Lankaliitoksen lujuutta testataan nopealla tehosyklauksella kun taas juotosten hajoamista eri kerrosten välillä lähestytään hitaan lämpösyklauksen avulla. Nämä kaksi vikaantumismekanismia ovat kuitenkin tyypillisesti yhteydessä toisiinsa. Kollektori-emitteri saturaatiojännittettä Vcesat käytetään virtuaalisen liitoslämpötilan Tvj mittaamiseen puolijohteesta. Syklikestoisuuskäyrien käyttö eliniän ennustamisessa edellyttää lämpötilaprofiilin tietämistä. Tehomoduulin vikaantuminen määritellään tässä työssä kollektori-emitteri saturaatiojännitteen Vcesat kasvuna, jota monitoroidaan mittausohjelmiston avulla. Yhdistetty syklitesti suoriutui kokeesta hyvin ja saadut testitulokset olivat linjassa tehomoduulista jälkeenpäin otettujen mikroskooppi kuvien kanssa. Samalla havaittiin, että lineaarinen suhde Vcesat - Tvj vaihtelee riippuen valitusta moduulin tyypistä.Description
Supervisor
Kyyrä, JormaThesis advisor
Puranen, PasiKeywords
power module, power cycling, thermal cycling, aging, reliability, lifetime