Automatisierte Zuverlässigkeitsprüfung von Leistungshalbleitern

Die Prüfung von Leistungshalbleitern ist eine zentrale Aufgabe in den Bereichen Automobilindustrie, erneuerbare Energien, industrielle Antriebstechnik und Schienenverkehr. Am Entwicklungs- und Produktionsstandort Warstein in Deutschland implementierte Infineon Technologies einen automatisierten Prüfstand auf Basis von PC-basierter Steuerung und EtherCAT-Messtechnik, um die Effizienz und Genauigkeit der Sperrschichttemperaturkalibrierung zu verbessern – einem entscheidenden Schritt bei Power-Cycling-Zuverlässigkeitstests.

Herstellung von Leistungshalbleitern und Zuverlässigkeitsbewertung
Infineon Technologies entwickelt und produziert an seinem Standort Warstein Leistungshalbleiter mit Stromstärken von wenigen Ampere bis zu 3.000 A. Das Werk ist ein bedeutendes Forschungs-, Entwicklungs- und Produktionszentrum für Frame Power Modules (FPMs), die in Wechselrichtern für Elektrofahrzeuge, industriellen Antriebssystemen, Bahnanwendungen sowie Wind- und Solaranlagen eingesetzt werden.

Zuverlässigkeitstests sind für diese Anwendungen von entscheidender Bedeutung, da Leistungshalbleiter im Betrieb wiederholt thermischen und elektrischen Belastungen ausgesetzt sind. Power-Cycling-Tests dienen dazu, das Verhalten der Bauteile unter wiederkehrenden Lastwechseln zu bewerten und ihre Langzeitzuverlässigkeit abzuschätzen.

Eine grundlegende Voraussetzung für diese Tests ist die präzise Bestimmung der Sperrschichttemperatur. Dafür müssen zunächst Kalibrierkurven erstellt werden, die elektrische Messwerte mit der Halbleitertemperatur in Beziehung setzen.

Herausforderungen manueller Kalibrierprozesse
Vor der Automatisierung war der Kalibrierprozess bei Infineon stark von manuellen Arbeitsschritten geprägt. Die Ingenieure mussten Messstrom und Gate-Spannung manuell einstellen, bevor die Spannungswerte der Halbleitermodule mit einem kalibrierten Messgerät erfasst wurden.

Dieser Prozess brachte mehrere betriebliche Herausforderungen mit sich. Das Messsystem verfügte weder über eine automatische Fehlererkennung noch über Benachrichtigungsfunktionen, sodass eine kontinuierliche Überwachung durch das Bedienpersonal erforderlich war. Da das Messgerät nicht in ein Netzwerk eingebunden war, mussten die Daten zunächst über SD-Karten oder USB-Speichermedien übertragen werden, bevor die Auswertung auf einem separaten Computer erfolgen konnte.

Nach Angaben des Prüflaborteams hing der Prozess in hohem Maße von der Erfahrung einzelner Mitarbeiter ab und beanspruchte wertvolle Prüfstandszeit. Angesichts der hohen Investitions- und Infrastrukturkosten von Power-Cycling-Prüfständen wurde die Maximierung der Auslastung zu einer wichtigen Zielsetzung.

Auswahl einer automatisierten Prüfstandsarchitektur
Ab etwa 2023 begann Infineon mit der Evaluierung von Möglichkeiten zur Automatisierung des Kalibrierprozesses. Das Unternehmen entschied sich für eine Lösung auf Basis der PC-basierten Steuerungsplattform von Beckhoff, der Automatisierungssoftware TwinCAT und der EtherCAT-Messtechnik.

Die Entscheidung basierte auf mehreren technischen Anforderungen. Das System sollte verschiedene Halbleitertechnologien unterstützen, sich in bestehende Laborsoftware integrieren lassen, eine hohe Messgenauigkeit bieten und den manuellen Einrichtungsaufwand reduzieren.

Der daraus entstandene Prüfstand nutzt den Embedded-PC CX5140 von Beckhoff sowie TwinCAT 3 zur Steuerung sämtlicher Mess- und Umgebungsparameter. Die Plattform ist in die bestehende LabVIEW-Messsoftware integriert und ermöglicht die Echtzeitverwaltung von Einstellungen, Datenerfassung und Testabläufen.

Hochpräzise Messung für die Sperrschichttemperaturkalibrierung
Das automatisierte System kann eine Vielzahl von Halbleiterbauelementen kalibrieren, darunter Dioden, Bipolartransistoren mit isolierter Gate-Elektrode (IGBTs) und Siliziumkarbid-MOSFETs (SiC-MOSFETs).

Bis zu 32 Halbleitermodule können gleichzeitig im Prüfofen installiert werden. Die Messströme werden über TCP/IP-Kommunikation und TwinCAT gesteuert, während die EtherCAT-Messklemme ELM3102-0100 die Kontaktspannungen der Module erfasst, sobald die vorgegebene Temperatur erreicht ist.

Die Messklemme bietet eine Auflösung von 24 Bit und eine Messgenauigkeit von 0,01 %, wodurch hochzuverlässige Kalibrierkurven erstellt werden können. Während der Systemvalidierung stellte das Labor fest, dass die Spannungswerte der EtherCAT-Messklemme bis auf sechs Nachkommastellen mit den Kalibrierstandards übereinstimmten.

Auch die Erzeugung der Messströme wurde ausschließlich mit Standard-EtherCAT-Klemmen realisiert. Durch die Kombination von LED-Steuerklemmen, Analogeingangsklemmen und Versorgungsklemmen konnte das Labor Messströme von 10 mA bis 500 mA mit einer Genauigkeit von 0,1 mA regeln und gleichzeitig eine Kanaltrennung gewährleisten.

Implementierung und Integration in das Prüflabor
Die automatisierte Lösung wurde entwickelt, um die Bedienung für das Laborpersonal möglichst einfach zu gestalten. Die Bediener müssen lediglich die Identifikationsnummer des zu prüfenden Moduls eingeben.

Nach dem Start übernimmt TwinCAT automatisch die Temperaturregelung des Ofens, die Erzeugung der Messströme, die Einstellung der Gate-Spannung, die Datenerfassung sowie die Erstellung der Kalibrierkurven. Dadurch wird der manuelle Aufwand während des gesamten Prüfprozesses erheblich reduziert.

Die nahtlose Integration in die bestehende Laborinfrastruktur ermöglichte die Implementierung ohne den Austausch vorhandener Messsoftware-Workflows, wodurch sowohl die Komplexität der Einführung als auch der Schulungsaufwand reduziert wurden.

Ergebnisse: Höherer Durchsatz und bessere Anlagenauslastung
Durch die Einführung der automatisierten Prüfstandssteuerung konnte die Vorbereitungszeit pro Test um etwa eine Stunde reduziert werden. Die Kombination aus automatisierter Einrichtung und hochpräziser Messtechnik verbesserte sowohl die Konsistenz der Messungen als auch die Zuverlässigkeit des Kalibrierprozesses.

Darüber hinaus ermöglicht die Automatisierung einen unbeaufsichtigten Nachtbetrieb, sodass das Labor zwei vollständige Tests pro Tag durchführen kann. Zusätzlich verkürzt die von TwinCAT gesteuerte automatische Öffnung der Ofentür die Abkühlzeiten und beschleunigt die Vorbereitung des nächsten Prüfzyklus.

Diese Verbesserungen erhöhten den Prüfdurchsatz und trugen direkt zu einer höheren Gesamtanlageneffektivität (OEE) bei. Gleichzeitig konnte das Labor anspruchsvolle Entwicklungszeitpläne besser erfüllen und die vorhandene Prüfinfrastruktur effizienter nutzen.

Ausweitung auf weitere Standorte
Nach der erfolgreichen Implementierung am Standort Warstein plant Infineon die Einführung ähnlicher Systeme an zwei weiteren Standorten. Eine dieser Installationen ist für das Produktionswerk des Unternehmens in Ungarn vorgesehen.

Darüber hinaus arbeitet das Unternehmen an einer weiteren Automatisierungsstufe, bei der Modulidentifikationsdaten mit einer zentralen Datenbank verknüpft werden. Ziel ist es, Kalibrierkurven anhand der Modul-ID automatisch abzurufen, um den manuellen Aufwand weiter zu reduzieren und die Effizienz des Prüflabors zu steigern.

Das Projekt zeigt, wie industrielle Automatisierung, EtherCAT-Messtechnik und die digitale Integration von Prüfständen die Effizienz von Zuverlässigkeitstests für Leistungshalbleiter verbessern und gleichzeitig die Auslastung hochwertiger Laboranlagen erhöhen können.

Bearbeitet von Aishwarya Mambet, Induportals-Redakteurin, mit Unterstützung von KI.

www.beckhoff.com