Pruebas automatizadas de fiabilidad de semiconductores

Las pruebas de semiconductores de potencia son una actividad crítica en los sectores de la automoción, las energías renovables, los accionamientos industriales y el transporte ferroviario. En su centro de fabricación y desarrollo de Warstein, Alemania, Infineon Technologies implementó un banco de pruebas automatizado basado en control mediante PC y tecnología de medición EtherCAT para mejorar la eficiencia y la precisión de la calibración de la temperatura de unión, un paso clave en las pruebas de fiabilidad mediante ciclos de potencia.

Fabricación de semiconductores de potencia y evaluación de la fiabilidad
Infineon Technologies desarrolla y fabrica semiconductores de potencia con capacidades de corriente que van desde unos pocos amperios hasta 3.000 A en su planta de Warstein, Alemania. Esta instalación actúa como un importante centro de investigación, desarrollo y producción de módulos de potencia de bastidor (FPM), utilizados en inversores para vehículos eléctricos, sistemas de accionamiento industrial, sistemas de tracción ferroviaria y equipos de generación eólica y solar.

Las pruebas de fiabilidad son esenciales para estas aplicaciones porque los semiconductores de potencia están sometidos repetidamente a esfuerzos térmicos y eléctricos durante su funcionamiento. Las pruebas de ciclos de potencia permiten evaluar el comportamiento de los componentes bajo condiciones de carga repetidas y predecir su fiabilidad a largo plazo.

Un requisito fundamental de estas pruebas es la determinación precisa de la temperatura de unión. Para ello, los ingenieros deben establecer primero curvas de calibración que correlacionen las mediciones eléctricas con la temperatura del semiconductor.

Desafíos de los procesos manuales de calibración
Antes de la automatización, el procedimiento de calibración de Infineon dependía en gran medida de la intervención manual. Los ingenieros configuraban manualmente las corrientes de medición y las tensiones de compuerta antes de registrar los valores de tensión de los módulos semiconductores utilizando un registrador calibrado.

El proceso presentaba varios desafíos operativos. El equipo de registro carecía de capacidades automáticas de detección de fallos y notificación, lo que requería supervisión continua por parte de los operadores. Como el registrador no estaba conectado a una red, los datos de medición debían transferirse manualmente mediante tarjetas SD o dispositivos USB antes de que pudiera comenzar el análisis en un ordenador independiente.

Según el equipo del laboratorio de pruebas, el proceso dependía significativamente de la experiencia de los operadores y consumía un tiempo valioso del banco de pruebas. Dado el elevado coste de inversión e infraestructura asociado a los bancos de pruebas de ciclos de potencia, maximizar su utilización se convirtió en una prioridad.

Selección de una arquitectura de banco de pruebas automatizada
Alrededor de 2023, Infineon comenzó a evaluar opciones para automatizar el proceso de calibración. La empresa seleccionó una solución basada en la plataforma de control mediante PC de Beckhoff, el software de automatización TwinCAT y la tecnología de medición EtherCAT.

La decisión estuvo motivada por varios requisitos técnicos. El sistema debía admitir múltiples tecnologías de semiconductores, integrarse con el software de laboratorio existente, proporcionar una alta precisión de medición y reducir las actividades de configuración manual.

El banco de pruebas resultante utiliza el PC embebido Beckhoff CX5140 y el software TwinCAT 3 para controlar todos los parámetros de medición y ambientales. La plataforma está integrada con el software de medición LabVIEW existente, lo que permite la gestión en tiempo real de los ajustes, la adquisición de datos y la ejecución de las pruebas.

Medición de alta precisión para la calibración de la temperatura de unión
El sistema automatizado puede calibrar una amplia gama de dispositivos semiconductores, incluidos diodos, transistores bipolares de puerta aislada (IGBT) y MOSFET de carburo de silicio (SiC).

Se pueden instalar simultáneamente hasta 32 módulos semiconductores dentro del horno de pruebas. Las corrientes de medición se controlan mediante comunicación TCP/IP y software TwinCAT, mientras que el terminal de medición EtherCAT ELM3102-0100 registra las tensiones de contacto de los módulos una vez alcanzada la temperatura requerida.

El terminal de medición ofrece una resolución de 24 bits y una precisión de medición del 0,01 %, lo que permite generar curvas de calibración altamente fiables. Durante la validación del sistema, el laboratorio informó que las lecturas de tensión del terminal EtherCAT coincidían con los estándares de calibración hasta seis decimales.

La generación de corriente de medición también se implementó utilizando terminales EtherCAT estándar. Mediante la combinación de terminales de control LED, terminales de entrada analógica y terminales de alimentación, el laboratorio logró controlar corrientes de entre 10 mA y 500 mA con una precisión de 0,1 mA, manteniendo al mismo tiempo el aislamiento entre canales.

Implementación e integración en el laboratorio
La solución automatizada fue diseñada para minimizar la complejidad operativa para el personal del laboratorio. Los operadores solo necesitan introducir el número de identificación del módulo que se va a ensayar.

Tras la inicialización, TwinCAT gestiona automáticamente el control de temperatura del horno, la generación de corriente de medición, la configuración de la tensión de compuerta, la adquisición de datos y la generación de curvas de calibración. Esto reduce significativamente la interacción manual durante todo el proceso de ensayo.

La integración fluida con la infraestructura existente del laboratorio permitió implementar la solución sin sustituir los flujos de trabajo establecidos del software de medición, reduciendo la complejidad de la implantación y las necesidades de formación del personal.

Resultados: mayor capacidad de ensayo y mejor utilización de los equipos
La introducción del control automatizado del banco de pruebas redujo el tiempo de preparación de cada ensayo en aproximadamente una hora. La combinación de configuración automatizada y medición de alta precisión mejoró tanto la consistencia de las mediciones como la fiabilidad general del proceso de calibración.

La automatización también permitió el funcionamiento desatendido durante la noche, lo que posibilita realizar dos ensayos completos al día. Además, la apertura automática de la puerta del horno controlada mediante TwinCAT redujo los tiempos de enfriamiento y aceleró la preparación de los ensayos posteriores.

Estas mejoras incrementaron la capacidad de ensayo y contribuyeron directamente a una mayor eficacia global de los equipos (OEE), ayudando al laboratorio a cumplir exigentes plazos de desarrollo mientras optimizaba el uso de una infraestructura de pruebas de alto coste.

Expansión a instalaciones adicionales
Tras la exitosa implementación en la planta de Warstein, Infineon tiene previsto implantar sistemas similares en otras dos ubicaciones. Una de estas instalaciones está programada para la planta de producción de la compañía en Hungría.

La empresa también trabaja en una automatización adicional mediante la vinculación de los datos de identificación de módulos con una base de datos centralizada. El objetivo es recuperar automáticamente la información de las curvas de calibración basándose en los identificadores de los módulos, reduciendo aún más la intervención manual y mejorando la eficiencia del laboratorio.

Este proyecto demuestra cómo la automatización industrial, la tecnología de medición EtherCAT y la integración digital de bancos de pruebas pueden mejorar la eficiencia de las pruebas de fiabilidad de semiconductores al tiempo que incrementan la utilización de activos de laboratorio de alto valor.

Editado por Aishwarya Mambet, editora de Induportals, con asistencia de IA.

www.beckhoff.com