El CSIC participa en el desenvolupament d'una nova generació de plaques d'inducció més robustes i fiables

En el marc del projecte europeu iRel40, l'IMB-CNM-CSIC investiga com millorar la fiabilitat de les cuines d'inducció en un projecte pilot industrial liderat per BSHE (fabricant de les marques Bosch, Siemens, Balay, etc.). En microelectrònica, l'anàlisi de la robustesa dels components electrònics de potència és fonamental per reduir la generació de residus i allargar la vida útil dels sistemes de potència o convertidors, utilitzats en aplicacions com ara cotxe elèctric o energies renovables.

iRel40 comprèn 79 institucions de catorze països europeus amb l'objectiu de millorar la fiabilitat dels sistemes electrònics fabricats a Europa.

El grup de Dispositius i Sistemes de Potència (PDS) de l'IMB-CNM ha aconseguit, en col·laboració amb BSHE i IUNET (PoliMi) determinar les condicions de sobrecàrrega relacionades amb les cuines d’inducció. En aquest sentit, s’estan definint, implementant i utilitzant diferents sistemes de caracterització i protocols d’acceptació a partir d’aquest resultat nou. Aquest coneixement permetrà crear una metodologia per a la comprensió dels mecanismes físics de fallada involucrats, tant en el convertidor com en el component, i millorar-ne la fiabilitat i robustesa, respectivament.

Explorar la resposta dels semiconductors de potència a esdeveniments de sobrecorrent

Els resultats indiquen que, en cuines d’inducció, els esdeveniments de sobrecorrent de curta durada són les pitjors condicions d'operació per als dispositius semiconductors de potència. En aquest escenari i com a alternativa, l'IMB-CNM està explorant l'ús de dispositius semiconductors de potència basats en carbur de silici, candidats per reemplaçar els actuals de silici, ja que poden operar a més temperatura ambient i requereixen solucions de gestió tèrmiques de menor pes i volum.

"Si bé el coneixement en aquest camp és nul, el sobrecorrent podria donar lloc a fenòmens de focalització de corrent, com ara la conducció no homogènia del corrent a la part superior d’un dispositiu semiconductor de potència", explica Xavier Perpiñà, líder del projecte a l'IMB-CNM. "És un comportament que compromet el rendiment i la robustesa del dispositiu. S'estudia i s’evita parcialment en el disseny, utilitzant simulacions físiques a nivell d'esquema o layout (el disseny del circuit integrat), que requereixen cert coneixement dels models físics involucrats i els seus paràmetres", afegeix. És a dir, l'objectiu és evitar-ho a la fase de disseny dels dispositius.

En aquest àmbit, el PDS està fent diversos protocols d'avaluació orientats a la selecció i millora de la robustesa dels components en situacions de sobrecàrrega.

Sistema de caracterització únic a l’IMB-CNM per localitzar la sobrecàrrega en carbur de silici

Hi ha una necessitat de sistemes experimentals per analitzar els fenòmens locals de conducció dins del dispositiu. Com a resposta, s'ha proposat l’ús de la tècnica Internal IR-Laser Deflection (IIR-LD) per a l’estudi de la focalització de corrent en dispositius de carbur de silici. Es tracta d’un sistema de caracterització únic disponible a l’IMB-CNM i que és bàsic per analitzar localment el comportament en condicions de sobrecàrrega d’aquests dispositius. Els resultats s’han publicat recentment a IEEE Electron Device Letters.

"El repte en aquest tipus de mesures és disposar d’una tècnica que permeti mesurar en capes o regions de deriva primes, de l’ordre de les desenes de micres a wide band-gap, sense que això interfereixi en les mesures, cosa que passa amb altres tècniques existents", diu Perpinyà sobre l'avantatge d’IIR-LD respecte d’altres tècniques.

A través de diversos estudis ja se sap que un gradient de temperatura i un de concentració de portadors fan variar l’índex de refracció del dispositiu durant l’estat de conducció. "Volem aprofitar aquesta fenomenologia per fer incidir un feix làser per un lateral del dispositiu amb una longitud d’ona infraroja, de manera que el raig lluminós pateixi una deflexió al llarg de la seva interacció amb la mostra degudament polaritzada. Aquesta deflexió és anàloga a la de l’efecte en els miratges del desert, on un raig de llum es corba (mirage). Alhora, es determina l’absorció produïda pels portadors injectats al dispositiu de manera similar a com es fa a la Free-carrier absorption (FCA), cosa que permet discernir sobre el senyal de deflexió entre la contribució pròpia dels portadors i l’aportació deguda a l'autoescalfament", afegeix Perpiñà sobre la tècnica.

Reduir el residu electrònic i millorar la fiabilitat de les cuines per inducció

Els resultats són part del projecte europeu iRel40, l'objectiu del qual és millorar el coneixement en la fiabilitat dels components electrònics. L'IMB-CNM s’encarrega de fer assaigs de límit i analitzar les fallades utilitzant eines úniques per estudiar-lo al límit.

Les plaques d’inducció funcionen mitjançant unes bobines que generen un camp electromagnètic en contacte amb el material, per la qual cosa es perd menys calor i el consum és entre un 20 i un 40% menor que el d’una vitroceràmica tradicional, segons les dades de la Organització de Consumidors i Usuaris (OCU). La seva quota de mercat creix anualment i, actualment, la producció de BSHE a Espanya indica que la mitjana és de 1,5 milions de plaques fabricades cada any.

iRel40 està finançat en el marc del programa ECSEL (Components i sistemes electrònics per al lideratge europeu) de la Unió Europea. El finançament espanyol procedeix de l’Agència Espanyola de Recerca (AEI) i l’IMB-CNM és l’únic centre de recerca estatal dins del projecte –on sí que hi participen altres empreses i universitats. El projecte va començar el 2020 i durarà fins al 2023.

F. Bonet, O. Aviñó-Salvadó, M. Vellvehi, X. Jordà, P. Godignon and X. Perpiñà, "Carrier Concentration Analysis in 1.2 kV SiC Schottky Diodes Under Current Crowding” in IEEE Electron Device Letters, vol. 43, no. 6, pp. 938-941, June 2022, doi: 10.1109/LED.2022.3171112