パワー半導体信頼性試験の自動化

パワー半導体の試験は、自動車、再生可能エネルギー、産業用ドライブ、鉄道輸送分野において重要な業務である。Infineon Technologiesは、ドイツ・ヴァルシュタインの開発・製造拠点において、PCベース制御とEtherCAT計測技術を活用した自動試験システムを導入し、パワーサイクル信頼性試験における重要な工程である接合部温度校正の効率と精度を向上させた。

パワー半導体の製造と信頼性評価
Infineon Technologiesは、ドイツのヴァルシュタイン工場で数アンペアから3,000Aまでのパワー半導体を開発・製造している。同施設は、フレームパワーモジュール（FPM）の研究開発および生産拠点として機能しており、これらのモジュールは電気自動車用インバータ、産業用ドライブシステム、鉄道用駆動システム、風力発電設備、太陽光発電設備などに使用されている。

これらの用途では、パワー半導体が運転中に繰り返し熱的・電気的ストレスを受けるため、信頼性試験が不可欠である。パワーサイクル試験は、繰り返し負荷条件下での部品性能を評価し、長期信頼性を予測するために実施される。

こうした試験における基本要件の一つが、接合部温度を正確に測定することである。そのためには、電気的測定値と半導体温度との相関関係を示す校正曲線を事前に作成する必要がある。

手動校正プロセスが抱える課題
自動化以前のInfineonの校正作業は、多くの工程を手作業に依存していた。エンジニアは測定電流とゲート電圧を手動で設定し、その後、校正済みレコーダーを用いて半導体モジュールの電圧値を記録していた。

このプロセスには複数の運用上の課題が存在した。記録装置には自動異常検知機能や通知機能がなく、オペレーターによる継続的な監視が必要だった。また、レコーダーはネットワークに接続されていなかったため、測定データをSDカードやUSBメモリで別のPCへ移行してから解析を行う必要があった。

試験ラボの担当者によると、この作業はオペレーターの経験に大きく依存しており、試験設備の稼働時間を多く消費していた。パワーサイクル試験設備は投資額やインフラコストが高いため、その稼働率向上が重要な課題となっていた。

自動試験システムの選定
Infineonは2023年頃から校正工程の自動化に向けた検討を開始した。その結果、BeckhoffのPCベース制御プラットフォーム、TwinCATオートメーションソフトウェア、およびEtherCAT計測技術を採用した。

選定にあたっては、複数の半導体技術への対応、既存ラボソフトウェアとの統合、高精度測定の実現、手動設定作業の削減などが重要な要件となった。

構築された試験システムでは、Beckhoff製組込みPC「CX5140」とTwinCAT 3を使用して、すべての測定・環境パラメータを制御している。また、既存のLabVIEW計測ソフトウェアと統合されており、設定管理、データ収集、試験実行をリアルタイムで行うことが可能となっている。

接合部温度校正のための高精度測定
この自動化システムは、ダイオード、絶縁ゲート型バイポーラトランジスタ（IGBT）、シリコンカーバイド（SiC）MOSFETなど、さまざまな半導体デバイスの校正に対応している。

試験炉内には最大32個の半導体モジュールを同時に設置できる。測定電流はTCP/IP通信とTwinCATによって制御され、所定温度に達するとEtherCAT計測端子ELM3102-0100がモジュール端子電圧を記録する。

この計測端子は24ビット分解能と0.01％の測定精度を備えており、高信頼性の校正曲線作成を可能にしている。システム検証時には、ELM端子の電圧測定値が校正基準値と小数点以下6桁まで一致したことが確認された。

測定電流の生成についても標準EtherCAT端子のみで構成されている。LED制御端子、アナログ入力端子、電源端子を組み合わせることで、10mA～500mAの電流を0.1mAの精度で制御しながら、各チャンネル間の絶縁を実現している。

システム導入とラボ統合
この自動化システムは、試験担当者の作業負荷を最小限に抑えるよう設計されている。オペレーターは試験対象モジュールの識別番号を入力するだけでよい。

初期化後は、TwinCATが炉温制御、測定電流生成、ゲート電圧設定、データ収集、校正曲線生成を自動的に実行する。その結果、試験工程全体における手動操作が大幅に削減された。

また、既存のラボインフラとのシームレスな統合により、従来の計測ソフトウェア環境を維持したまま導入できたため、導入時の複雑さや教育コストも抑えられた。

導入効果：試験能力と設備利用率の向上
自動試験システムの導入により、1回の試験あたりの立ち上げ時間は約1時間短縮された。自動設定機能と高精度測定を組み合わせることで、測定結果の一貫性と校正プロセス全体の信頼性が向上した。

さらに、自動化によって夜間の無人運転が可能となり、1日あたり2回の完全な試験実施を実現した。また、TwinCATによる試験炉ドアの自動開放機能により冷却時間が短縮され、次の試験準備も迅速化された。

これらの改善により試験処理能力が向上し、設備総合効率（OEE）の改善にも直接貢献した。その結果、開発部門から求められる厳しいスケジュールへの対応力が高まり、高価な試験設備をより効率的に活用できるようになった。

他拠点への展開
ヴァルシュタイン工場での導入成功を受けて、Infineonは同様のシステムをさらに2拠点へ展開する計画を進めている。そのうちの1拠点はハンガリーの生産工場に導入される予定である。

同社はさらに、モジュール識別データを中央データベースと連携させることで、自動化レベルの向上も目指している。モジュールIDに基づいて校正曲線データを自動取得する仕組みを構築し、手動作業のさらなる削減とラボ運営効率の向上を図る考えだ。

このプロジェクトは、産業用オートメーション、EtherCAT計測技術、および試験設備のデジタル統合によって、半導体信頼性試験の効率向上と高価値な試験設備の有効活用を実現できることを示している。

Aishwarya Mambet（Induportals編集者）、AIの支援により編集。

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