Ramp Time을 고려한 Power Cycling Test의 가속수명 시험법

Abstract

Insulated Gate Bipolar Transistor(IGBT) 전력반도체의 많은 장점과 더 높은 전압 및 전류 등급에 대한 지속적인 개발로 진행되고 있다. 전기자동차(Electro Vehicle : EV) 및 하이브리드 자동차(Hybrid Electronic Vehicle : HEV)의 제조 원가 중 전장 부품비중이 점점 증가함에 이에 따른 전장 부품의 중요성이 더해지고 있다. 주로 고전력 영역에서 널리 사용되고 있으며 고효율, 고속의 전력 시스템에 특히 많이 사용되고 있다. 이에 따른 높은 신뢰성 요구사항을 충족하기 위해 신뢰성 시험 및 신뢰성 예측 등을 높이기 위한 연구는 여러 분야에서 또한 많이 이루어지고 있다. 그중 중요한 요구 사항 중 하나는 전력 싸이클을 견딜 수 있는 능력이다. 전원을 ON/OFF 했을 때 온도 변화가 발생하면 열-기계적 스트레스가 생겨 와이어 및 칩 본딩에 크랙(Crack) 및 박리(delamination)가 주요 고장 메커니즘이다. 따라서 전력반도체의 피로 수명을 확인하기 위해 주로 온도변화 시험 중 실사용 환경과 가장 유사한 Power Cycling Test를 실시한다. 시간에 대한 높은 신뢰도가 요구되기 위해서는 수명평가가 중요하다. 수명평가에 있어 수명을 추정하기 위해 가속수명 시험을 실시하며 그에 따른 가속 해석은 코핀- 맨슨(Coffin-manson) 모형을 사용한다. Power Cycling Test에 있어 전력반도체는 재질 및 공정에 따라 최고 온도에 도달하는 시간(Heating Time)이 달라지게 되며 방열 설계에 따라 시작온도에 도달하는 시간(Cooling Time) 또한 달라지게 된다. 이에 따라 열에 노출 되는 시간이 차이가 나는 만큼 제품에 가해지는 스트레스 수준또한 달라지게 된다. 본 연구에서는 Ramp Time(Heating & Cooling Time)을 고려한 Power Cycling Test의 가속 수명 시험법을 제안한다. 기존의 코핀-맨슨 모형에서의 열싸이클 범위 만이 아닌 온도에 도달하는 시간(Ramp Time)을 고려하기 위하여 Triangle Wave Form과 결합하여 Ramp Time에 영향이 반영된 온도 차이 값을 구하고 기존의 코핀-맨슨 모형과 제안한 모형을 분석 비교하여 Standard Error(표준오차) 및 신뢰구간이 더 작게 나오는 것을 확인할 수 있었으며 기존모형보다 제안모형이 신뢰성 향상에 기여할 수 있을 것으로 기대된다.