El CSIC participa en el desarrollo de una nueva generación de placas de inducción más robustas y fiables
El CSIC colabora en el proyecto europeo iRel40, junto a BSHE, Politecnico di Milano, Fraunhofer e Infineon, entre otros, para el desarrollo de una nueva generación de placas de inducción más fiables y robustas. El IMB-CNM-CSIC se encarga de mejorar los tests de calificación de los dispositivos de potencia y determinar por qué se producen eventos destructivos. También se busca la mejora de los protocolos en la valoración de componentes para electrónica de potencia y mejorar su vida útil.
En el marco del proyecto europeo iRel40, el IMB-CNM-CSIC investiga cómo mejorar la fiabilidad de las cocinas de inducción en un piloto industrial liderado por BSHE (fabricante de las marcas Bosch, Siemens, Balay, etc.). En microelectrónica, el análisis de la robustez de los componentes electrónicos de potencia es fundamental para reducir la generación de residuos y alargar la vida útil de los sistemas de potencia o convertidores, utilizados en aplicaciones como coche eléctrico o energías renovables.
iRel40 comprende 79 instituciones de catorce países europeos con el objetivo de mejorar la fiabilidad de los sistemas electrónicos fabricados en Europa.
El grupo de Dispositivos y Sistemas de Potencia (PDS) del IMB-CNM ha conseguido, en colaboración con BSHE e IUNET (PoliMi), determinar las condiciones de sobrecarga relacionadas con las cocinas de inducción. En este sentido, se están definiendo, implementando y utilizando diferentes sistemas de caracterización y protocolos de aceptación a partir de este novedoso resultado. Este conocimiento permitirá crear una metodología para la comprensión de los mecanismos físicos de fallo involucrados, tanto en el convertidor como en el componente, y mejorar su fiabilidad y robustez, respectivamente.
Explorar la respuesta de los semiconductores de potencia a eventos de sobrecorriente
Los resultados indican que, en cocinas de inducción, los eventos de sobrecorriente de corta duración son las peores condiciones de operación para los dispositivos semiconductores de potencia. Además, en este escenario, el IMB-CNM está realizando una investigación exploratoria sobre dispositivos semiconductores de potencia basados carburo de silicio, candidatos a reemplazar los actuales de silicio, ya que pueden operar a mayor temperatura ambiente y requieren soluciones de gestión térmicas de menor peso y volumen.
"Si bien el conocimiento en este campo es nulo, la sobrecorriente podría dar lugar a fenómenos de focalización de corriente, como puede ser la conducción no homogénea de la corriente en la parte superior de un dispositivo semiconductor de potencia", explica Xavier Perpiñà, líder del proyecto en el IMB-CNM. "Es un comportamiento que compromete el rendimiento y la robustez del dispositivo. Se estudia y evita parcialmente en el diseño, utilizando simulaciones físicas a nivel de esquema o «layout» (el diseño del circuito integrado), que requieren cierto conocimiento de los modelos físicos involucrados y sus parámetros", agrega. Es decir, el objetivo es evitarlo en la fase de diseño de los dispositivos.
En este ámbito, el PDS está realizando varios protocolos de evaluación orientados a la selección y mejora de robustez de los componentes en situaciones de sobrecarga.
Sistema de caracterización único en el IMB-CNM para localizar la sobrecarga en carburo de silicio
Existe una necesidad de sistemas experimentales para analizar los fenómenos locales de conducción dentro del dispositivo. Como respuesta, se ha propuesto el uso de la técnica Internal IR-Laser Deflection (IIR-LD) para el estudio de la focalización de corriente en dispositivos de carburo de silicio. Se trata de un sistema de caracterización único disponible en el IMB-CNM y que es básico para analizar localmente el comportamiento en condiciones de sobrecarga de estos dispositivos. Los resultados se han publicado recientemente en IEEE Electron Device Letters.
"El reto en este tipo de medidas es disponer de una técnica que permita medir en capas o regiones de deriva delgadas, del orden de las decenas de micras en wide band-gap, sin que ello interfiera en las medidas, cosa que ocurre con otras técnicas existentes", dice Perpiñà sobre la ventaja de IIR-LD respecto a otras técnicas.
A través de diversos estudios, ya se sabe que un gradiente de temperatura y uno de concentración de portadores hacen variar el índice de refracción del dispositivo durante el estado de conducción. "Queremos aprovechar esta fenomenología para hacer incidir un haz láser por un lateral del dispositivo con una longitud de onda infrarroja, de tal modo que el rayo luminoso sufra una deflexión a lo largo de su interacción con la muestra debidamente polarizada. Esta deflexión es análoga a la del efecto en los espejismos del desierto, donde un rayo de luz se curva (mirage). Al mismo tiempo, se determina la absorción producida por los portadores inyectados en el dispositivo de manera similar a como se hace en la Free-carrier absorption (FCA), lo que permite discernir sobre la señal de deflexión entre la contribución propia de los portadores y la aportación debida al autocalentamiento", añade Perpiñà sobre la técnica.
Reducir el residuo electrónico y mejorar la fiabilidad de las cocinas por inducción
Las placas de inducción funcionan mediante unas bobinas que generan un campo electromagnético en contacto con el material, por lo que se pierde menos calor y su consumo es entre un 20 y un 40% menor que el de una vitrocerámica tradicional, según los datos de la Organización de Consumidores y Usuarios (OCU). Su cuota de mercado crece anualmente y, actualmente, la producción de BSHE en España indica que la media es de 1,5 millones de placas fabricadas al año.
Los resultados son parte del proyecto europeo iRel40, cuyo objetivo es mejorar el conocimiento en la fiabilidad de los componentes electrónicos. El IMB-CNM se encarga de realizar ensayos de límite y analizar los fallos utilizando herramientas únicas para su estudio al límite.
iRel40 está financiado en el marco del programa ECSEL (Componentes y sistemas electrónicos para el liderazgo europeo) de la Unión Europea. La financiación española procede de la Agencia Española de Investigación (AEI) y el IMB-CNM es el único centro de investigación estatal dentro del proyecto –donde sí participan otras empresas y universidades. El proyecto comenzó en 2020 y durará hasta 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