A BME termikus modelljeit használhatják az új generációs teljesítmény-félvezetőkben

A BME Villamosmérnöki és Informatikai Karának Elektronikus Eszközök Tanszéke (EET) olyan innovatív termikus modellezési és mérési eljárásokat fejlesztett ki, amelyek közvetlenül hozzájárulnak az európai teljesítményfélvezető-ipar versenyképességéhez.

A teljesítmény-félvezető modulok az elektromos energia átalakításának és vezérlésének kulcselemei. A megújuló energiát hasznosító inverterektől az elektromos járművek hajtásrendszerein át az ipari frekvenciaváltókig és energiatárolókig sok mindenben ott vannak. Gyártásukban Európa jelenleg is vezető szereplő, de a globális versenyben való helytálláshoz szükséges a fejlesztési ciklusok felgyorsítása és az eszközök intelligens képességekkel való felruházása. Az Európai Unió célkitűzése, hogy 2030-ra 20 százalékra növelje az EU részesedését a globális félvezetőpiacon, miután a Covid-pandémia alatt nyilvánvalóvá vált globális ellátási láncok sérülékenysége.

A konzorcium által fejlesztett élettartam-predikciós modellek az energiátalakítás és az elektromobilitás területén alkalmazott teljesítmény-félvezető eszközök megbízhatóságát növelhetik.
A képek forrása: powersystemsdesign.com, Poppe András, Google Gemini

E stratégia része a nemrég zárult PowerizeD és az ennek folytatásaként most induló Moore4Power projekt, a német Infineon Technologies AG vezetésével. A kettő együttes költségvetése meghaladja a 166 millió eurót. A résztvevő magyarországi konzorciumot a BME vezeti, együttműködésben a HUN-REN Energetikai Kutatóközponttal, az Infineon Cegléddel és hazai kkv-kkal. A cél olyan nagy teljesítménysűrűségű és megbízható teljesítményelektronikai modulok létrehozása, amelyek digitálisiker-módszerekkel támogatják a hatékony tervezést és üzemeltetést, illetve a modulokba integrált alkotóelemek fejlesztését.

Európai együttműködés az ipari dekarbonizációért

A PowerizeD egyik kiemelt, a finn ABB vezetésével megvalósuló részprojektje az ipari hajtások diagnosztikai megoldásaira fókuszált. A 13 országot átfogó együttműködésben a BME mellett olyan partnerek vettek részt, mint az Infineon és a finn Aalto Egyetem. A feladat az ipari hajtások üzemidejének a reaktív karbantartásról a prediktív (előrejelző) szemléletre való áthelyezése volt. Az ABB vezette munkacsoport új, monolitikusan integrált hőmérséklet-szenzorokat (OnSens technológia) tartalmazó teljesítménymodulokat fejlesztett és vizsgált. Ezzel az új technológiával a meghibásodások – például a belső huzalkötések leválása, elhasználódása következtében bekövetkező delamináció – 

már hetekkel a katasztrofális leállás előtt jelezhetők.

Ebben a folyamatban a BME mérnökei dolgozták ki azokat a multi-domain végeselemes modelleket, amelyek az eszközök élettartambecsléséhez szükséges digitális ikerpárok alapját képezik (lásd ezt a videót). Az előrejelzési módszer alapját adó termikus tranziens méréstechnikát az EET kutatói fejlesztették ki és vezették az ipari gyakorlatba az ezredforduló környékén.

A tanszék kutatói két olyan terület eredményeihez járultak hozzá, amelyek közvetlenül segítik az európai beszállítói lánc függetlenedését és a hatékonyabb tervezést:

1. Új szubsztrátanyagok termikus minősítése. A HUN-REN EK-val közösen kifejlesztett, európai alapanyagokra épülő kerámia és más gyártók által biztosított IMS (szigetelt fém szubsztrát) hordozókat vizsgálták. A BME egy speciális in-situ termikus minősítési eljárást dolgozott ki, amely a Transient Dual Interface Method (TDIM) segítségével, valós üzemi körülmények között képes rangsorolni a vizsgált anyagokat a modulban mutatott hőelvezetési képesség alapján. A mérések igazolták, hogy egyes új fejlesztésű hordozóanyagok termikus teljesítménye eléri vagy akár meg is haladja a hagyományos, drágább technológiákét (DBC), miközben fenntarthatóbb a forrásuk, így utat nyitnak nagyobb teljesítményű és kisebb környezeti lábnyommal rendelkező teljesítménymoduloknak.

2. Multi-domain szimulációs modellek. A kutatók olyan komplex modellt alkottak, amely egyszerre kezeli a villamos, termikus, mechanikai és áramlástani folyamatokat. Ez a modell képes pontosan leírni a modulon belüli hőmérsékleteloszlást, figyelembe véve a nagy áramsűrűségű vezetőrétegekben kialakuló árammegosztás jelenséget és a hőátadó anyagok (TIM) nemlineáris, vertikális nyomásfüggő viselkedését. A szimulációkat valós, integrált szenzoros mérésekkel validálták, így egy olyan digitális keretrendszer jött létre, amely alkalmas a kritikus meghibásodási mechanizmusok, például a huzalkötések elfáradása és a delaminálódás modellezésére.

A BME és a magyar konzoricum szerepe a PowerizeD projektben

A Moore4Power projektben a BME, az Infineon német és magyar részlegei, az Aalto egyetem és az ABB (Finnország) alkotta munkacsoport már a következő generációs megoldásokon dolgozik. Itt a cél a teljesítményelektronikai modulokba integrált, fejlett önmonitorozó képesség továbbfejlesztése, immár tömeggyártható technológiai megoldásokra alapozva. 

Az eszközök képesek lesznek saját várható élettartamuk becslésére.

Emellett az EET több évtizedes tapasztalatát az Infineon Cegléd közvetlenül hasznosítja a termikus interfész anyagok (TIM) öregedésvizsgálatában. Az új mérési eljárások lehetővé teszik a modulok élettartama során fellépő anyagfáradás nyomán fellépő termikus problémák precíz nyomon követését, és a modul meghibásodásának előrejelzését közvetlenül az alkalmazási környezetben.

A magyar Moore4Power konzorcium képviselői (balról jobbra): Poppe András és Ender Ferenc (BME), Balázsi Katalin és Balázsi Csaba (HUN-REN), Szabó Zoltán (Infineon Magyarország), illetve a projekt vezetője, Jochen Koszescha (Infineon Germany)

A BME súlyát a 60 tagú nemzetközi konzorciumban jelzi, hogy Ender Ferenc docens, az EET tanszékvezetője nemcsak a mérési és monitorozási feladatokért felelős vezető, hanem a projekt stratégiai irányítótestületének is tagja. Ez a pozíció garantálja, hogy a magyar mérnöki tudás az európai félvezető-stratégia meghatározó eleme maradjon.

Rektori Hivatal, Kommunikációs Igazgatóság