Infineon automatise le banc d'essais des semi-conducteurs de puissance

Sur son site de développement et de production de Warstein, en Allemagne, Infineon Technologies a mis en œuvre un banc d'essai automatisé basé sur un système de contrôle à base PC et la technologie de transmission EtherCAT afin d'améliorer l'efficacité et la précision de l'étalonnage de la température de jonction, une étape clé des essais de fiabilité par cyclage de puissance.

Fabrication de semi-conducteurs de puissance et évaluation de la fiabilité
Infineon Technologies développe et fabrique sur son site de Warstein des semi-conducteurs de puissance couvrant une plage de courant allant de quelques ampères à 3 000 A. Cette installation constitue un important centre de recherche, de développement et de production pour les modules de puissance à cadre (FPM), utilisés dans les onduleurs de véhicules électriques, les systèmes d'entraînement industriels, les systèmes de traction ferroviaire ainsi que les installations éoliennes et solaires.

Les essais de fiabilité sont essentiels pour ces applications, car les semi-conducteurs de puissance sont soumis à des contraintes thermiques et électriques répétées pendant leur fonctionnement. Les essais de cyclage de puissance permettent d'évaluer le comportement des composants sous des conditions de charge répétées et d'estimer leur fiabilité à long terme.

Une exigence fondamentale de ces essais est la détermination précise de la température de jonction. Pour y parvenir, il faut d'abord établir des courbes d'étalonnage qui établissent une corrélation entre les mesures électriques et la température du semi-conducteur.

Défis liés aux processus d'étalonnage manuels
Avant son automatisation, la procédure d'étalonnage d'Infineon reposait largement sur des interventions manuelles. Les opérateurs devaient configurer manuellement les courants de mesure et les tensions de grille avant d'enregistrer les valeurs de tension des modules de semi-conducteurs à l'aide d'un appareil d'acquisition de données.

Ce processus présentait plusieurs problématiques opérationnelles. L'équipement d'enregistrement ne disposait pas de fonctions automatiques de détection des défauts ni de notification, ce qui nécessitait une surveillance constante par les opérateurs. Comme l'enregistreur n'était pas connecté à un réseau, les données de mesure devaient être transférées manuellement via des cartes SD ou des périphériques USB avant de pouvoir être analysées sur un autre ordinateur.

Selon l'équipe du laboratoire d'essais, le processus dépendait fortement de l'expertise des opérateurs et mobilisait un temps précieux sur les bancs d'essai. Compte tenu des investissements importants et des infrastructures nécessaires aux essais de cyclage de puissance, l'optimisation du taux d'utilisation est devenue une priorité.

Sélection d'une architecture de banc d'essai automatisée
Vers 2023, Infineon a commencé à étudier des solutions permettant d'automatiser le processus d'étalonnage. L'entreprise a retenu une solution basée sur la plateforme de commande sur base PC de Beckhoff, le logiciel d'automatisation TwinCAT et la technologie de transmission EtherCAT.

Ce choix répondait à plusieurs exigences techniques. Le système devait prendre en charge différentes technologies de semi-conducteurs, s'intégrer aux logiciels de laboratoire existants, offrir la précision de mesure requise et réduire les opérations de configuration manuelle.

Le banc d'essai mis en œuvre utilise le PC embarqué de la gamme CX5140 de Beckhoff et le logiciel TwinCAT 3 pour contrôler l'ensemble des paramètres de mesure et d'environnement. La plateforme est intégrée à l'application de mesure développée sous LabVIEW, permettant une gestion en temps réel des paramètres, de l'acquisition de données et de l'exécution des essais.

Mesures de haute précision pour l'étalonnage de la température de jonction
Le système automatisé peut étalonner une large gamme de composants semi-conducteurs, notamment les diodes, les transistors bipolaires à grille isolée (IGBT) et les Mosfet en carbure de silicium (SiC). Jusqu'à 32 modules de semi-conducteurs peuvent être installés simultanément dans le four d'essai. Les courants de mesure sont contrôlés via une communication TCP/IP et le logiciel TwinCAT, tandis que le module de mesure EtherCAT de la série ELM3102-0100 enregistre les tensions aux bornes des modules lorsque la température cible est atteinte.

Le module de mesure présente une résolution de 24 bits et une précision de 0,01 %, permettant de générer les courbes d'étalonnage attendues. Lors de la validation du système, le laboratoire a constaté que les valeurs de tension mesurées par la borne EtherCAT correspondaient aux étalons d'étalonnage jusqu'à six décimales.

La génération des courants de mesure a également été réalisée à l'aide de bornes EtherCAT standard. En combinant des bornes de commande LED, des bornes d'entrée analogique et des bornes d'alimentation, le laboratoire a obtenu un contrôle du courant de 10 mA à 500 mA avec une précision de 0,1 mA tout en assurant l'isolation des différents canaux.

Déploiement et intégration au laboratoire
La solution automatisée a été conçue pour réduire au minimum la complexité opérationnelle pour le personnel du laboratoire. Les opérateurs doivent simplement saisir l'identifiant du module à tester.

Après l'initialisation, le logiciel TwinCAT gère automatiquement le contrôle de la température du four, la génération des courants de mesure, le réglage des tensions de grille, l'acquisition des données et la création des courbes d'étalonnage. Cette automatisation réduit considérablement les interventions manuelles tout au long du processus d'essai.

L'intégration transparente à l'infrastructure existante du laboratoire a permis le déploiement sans remplacer les flux de travail logiciels déjà en place, réduisant ainsi la complexité de mise en œuvre et les besoins en formation.

Résultats : augmentation du débit et meilleure utilisation des équipements
L'introduction du contrôle automatisé du banc d'essai a réduit le temps de préparation de chaque essai d'environ une heure. La combinaison de la configuration automatisée et de mesures de haute précision a amélioré à la fois la cohérence des résultats et la fiabilité globale du processus d'étalonnage.

L'automatisation a également permis un fonctionnement sans surveillance pendant la nuit, ce qui autorise la réalisation de deux essais complets par jour. De plus, l'ouverture automatique de la porte du four pilotée par TwinCAT réduit les temps de refroidissement et accélère la préparation des essais suivants.

Ces améliorations ont augmenté le rythme des essais et contribué directement à une meilleure efficacité globale des équipements (OEE), permettant au laboratoire de respecter des calendriers de développement exigeants tout en optimisant l'utilisation d'infrastructures de test coûteuses.

Extension à d'autres sites
À la suite du déploiement réussi sur le site de Warstein, Infineon prévoit d'installer des systèmes similaires sur deux autres sites. L'une de ces installations est prévue dans l'usine de production de l'entreprise en Hongrie.

L'entreprise allemende travaille également à un projet d'automatisation supplémentaire en reliant les données d'identification des modules à une base de données centralisée. L'objectif est de récupérer automatiquement les informations des courbes d'étalonnage à partir des identifiants des modules, afin de réduire davantage les interventions manuelles et d'améliorer l'efficacité du laboratoire.

Publié avec l’assistance de l’IA par Aishwarya Mambet, rédactrice pour Induportals.

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