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信頼性試験について知ろう!(パワーサイクル試験編)

こんにちは。WTI 第二技術部 カスタム技術課の白濱です。

突然ですが、皆さんは『信頼性試験』をご存知ですか?

ざっくり説明しますと、製品の信頼性(性能、耐久性、安全性、故障率など)を評価する様々な試験の総称です。主な目的は、設計どおりの性能となっているか確認することと、市場要求品質を満たしているかを評価することです。

そんな信頼性試験の中から、今回はパワーデバイスの耐久試験のひとつである『パワーサイクル試験』についてご紹介しましょう♪

近年、パワーデバイスは産業用機器から一般家電等の幅広い分野で使用されており、使用環境に合わせた高い信頼性が要求されています。特に、パワーデバイスの自己発熱(ON状態)と冷却(OFF状態)を繰り返す(この一連のサイクルをパワーサイクルと呼びます)ことによる熱ストレスへの耐久性を評価するために、『パワーサイクル試験』が重要なのです!

さて、実使用におけるパワーサイクルではパワーデバイスのどの部分にストレスが掛かると思いますか?
答えは、主に下記の3箇所です。故障モードはショートやオープン不良が主となります。
そして、これらの耐久性を評価するための試験が『パワーサイクル試験』なのです!

 

 

では『パワーサイクル試験』の動作原理はどのようになっているのでしょうか?
MOSFETを例に簡単に説明します。

 

 

まず、ゲート電圧(VG)を印加するとドレイン電流(ID)が流れ、パワ-チップの自己発熱でジャンクション温度(Tj)が急上昇します。パワーチップの熱は時間経過と共に段々と外側へと伝わりケース側の温度(Tc)が上昇するとともに放熱もされます。

この熱と時間の関係が試験の重要なファクターとなります!
なぜなら、『パワーサイクル試験』にはJEITAで規定された2つの試験方法があり、どちらもパワーデバイスのON/OFF動作(発熱/冷却)の繰り返しを再現する試験であることに変わりありませんが、大きな違いが発熱時間だからです。
発熱時間で何が変わるのでしょうか? 下記で2つの試験方法を説明します。

①ショートパワーサイクル試験(参考:JEITA-ED-4701/601 602)

ON/OFF時間が数秒程度と短い周期で動作を繰り返す試験です。
発熱時間が短く、ジャンクション温度(Tj)は上昇しますが、ケース側(Tc)まで熱はほとんど伝わりません。主にチップ上のワイヤ接合部の耐久性評価に用いられます。

 

 

②ロングパワーサイクル試験(参考:JEITA-ED-4701/603)

ON/OFF時間が数分程度と長い周期で動作を繰り返す試験です。
発熱時間が長く、ジャンクション温度(Tj)だけでなく、ケース側(Tc)まで熱が伝わります。主にチップ下のはんだ層の耐久性評価に用いられます。

 

 

如何ですか?少しでも『パワーサイクル試験』に興味を持っていただけましたか?
弊社ではパートナー会社と協力し下図のような環境で試験を実施しております。

 

 

また、今回ご紹介した『パワーサイクル試験』以外にも各種信頼性試験を実施しております。
試験可能な製品は、パワーデバイスに限りませんので、信頼性試験でお困りの方は、是非、弊社お問合せ窓口(TEL)やお問い合わせフォーム(メール)にてお気軽にご連絡ください!

 

 

 

 

 

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