Simülasyon Uygulamaları ile Elektronik Arızalarının Kök Nedenini Belirleme

Bu makale COMSOL tarafından sunulmuştur. Geliştirilmiş menzil, daha büyük güvenilirlik ve daha hızlı şarj arayışında, elektrikli araçlar yüksek voltajlı elektroniklere olan talebi artırmaktadır. Bu talebi artıran diğer uygulamalar arasında rüzgar santralleri, veri merkezleri ve sunucu çiftlikleri gibi örnekler bulunmaktadır. Yüksek voltajlı elektroniğe olan ilgi arttıkça, ani arızalarıyla ilgili riskler de dikkate alınmalıdır. Yüksek voltajlı ekipmanların arızalanmasına neden olan birçok durum, çalıştığı iklim koşullarıyla ilişkilendirilebilir. Özellikle, nem nedeniyle elektronik yüzeylerde oluşan yoğunlaşma, korozyona yol açabilir ve bu da elektro-kimyasal migrasyon (ECM) sırasında kaçak akım ve dendrit kısa devrelerine neden olabilir. Korozyonu öngörmek, azaltmak ve proaktif tasarım yapmaya yardımcı olmak, Danimarka Teknik Üniversitesi (DTU) Elektronik Korozyon Merkezi (CELCORR) araştırma grubunun odak noktasıdır. Grubun araştırmacıları, sağlam elektronik tasarımlar oluşturmak için endüstri ortaklarıyla birlikte modeller ve simülasyon uygulamaları geliştirmektedir. Hedefleri, nemli çalışma koşullarına dayanacak şekilde elektronik üretimi için kullanılabilecek bilgi geliştirmektir. Elektronik Arızası: “Sorun Isı Değil; Nemdir” Otomotiv elektrifikasyonu ve yenilenebilir enerji sistemleri, enerji zincirinin tüm aşamalarında elektroniğe dayanır. Bu elektronikler, Şekil 1'deki örnek PCB gibi, nem etkilerine maruz kaldıklarında potansiyel arıza noktaları haline gelebilir. “Enerji ürettiğiniz, dönüştürdüğünüz, taşıdığınız ve kullandığınız her yerde, nemden etkilenen bu yüksek güçlü elektronik sistemlere ihtiyacınız var,” diye açıkladı Dr. Rajan Ambat, DTU profesörü ve CELCORR yöneticisi. Ortam nemi, bu elektroniklere ihtiyaç duyan cihazlara ve makinelere sızabilir ve korozyon yoluyla beklenmedik işlevsel sorunlara neden olabilir. Bu elektronikler özellikle yüksek voltajlı uygulamalarda (örneğin rüzgar santralleri, veri merkezleri, elektrikli araçlar ve sunucu çiftlikleri) yer aldığında, nem maruziyeti nedeniyle meydana gelen arızalar yangına bile yol açabilir. “Birisi bir güneş panelini deniz kıyısına veya yüksek nemli bir alana kurduğunda ve kısa bir süre içinde elektroniklerin içinde iletken bir durum oluştuğunda, bu bir arızaya neden olabilir,” dedi Ambat. “Bu nedenle yoğunlaşmanın nasıl oluştuğunu, ne zaman oluştuğunu ve sistemin nasıl arızalandığını anlamamız gerekiyor.” Şekil 1. Bir PCB yüzeyindeki elektrolit potansiyeli ve akım yoğunluğu dağılımları (deliklerle birlikte). CELCORR/DTU Korozyonu bazı elektronik arızalarının temel nedeni olarak tanımlamak hala bir zorluktur. “Elektronikteki arızaların yüzde ellisi şu anda tanımlanmamış bir kök neden ile markalanıyor,” diye açıkladı Ambat. “Mühendisler sistemi açtıklarında, arızanın korozyondan kaynaklandığını fark etmiyorlar çünkü nem, ECM dendrit oluşumu olmadıkça korozyon izleri bırakmadan kayboluyor.” Bu farkındalık eksikliği, CELCORR için güçlü bir motivasyon kaynağı oldu ve bu nedenle ortak kuruluşlarına nemle ilgili sorunları tasarım aşamasında daha iyi tahmin etmelerine yardımcı olmak için çok fiziksel simülasyonu bir yardımcı araç olarak kullanmaya yöneldi. Nem Modellenmesi ve PCB'lerde Parametre Değişikliklerinin Ölçülmesi CELCORR, elektronik arızalarını tanımlamanın ve önlemenin en iyi yolunun, korozyonun gelişimini daha iyi önleyen veya daha yüksek nem yüküne dayanabilen daha etkili tasarımlar oluşturmak olduğuna inanmaktadır. Araştırma ekibi, ortak endüstrilerin nem dayanıklılığı için güvenli tasarımları değerlendirmelerine yardımcı olacak simülasyon uygulamaları oluşturmak için modelleme konusundaki uzmanlıklarını uygulamaktadır. “Biz, malzeme bilimi ile elektronik endüstrisinin kesişimindeyiz. Malzeme ve elektronik disiplinleri arasında bir köprü görevi görüyoruz, her iki tür dili de kullanıyoruz,” diye açıkladı CELCORR'da doktora sonrası araştırmacı Dr. Anish Rao Lakkaraju. Potansiyel tasarım sorunlarını anlamak için Ambat, sistemleri sanal olarak parçalayarak sorunların nerede ortaya çıkabileceğini belirlemenin önemini vurguladı. “Tasarımın potansiyel kullanımlarını analiz etmek ve yeni tasarımların iyi mi kötü mü olduğunu belirlemek için simülasyon yazılımına ihtiyacımız var,” dedi Ambat. Danimarka Teknik Üniversitesi (DTU) araştırmacıları, korozyonu öngörmek ve elektroniği proaktif olarak tasarlamak için simülasyon uygulamaları kullanıyor. COMSOL Multiphysics yazılımını araştırma için kullanan CELCORR araştırma ekibi, diğer araştırma ortaklarıyla (Aalborg Üniversitesi) birlikte, hem test devre kartlarına hem de