Prognostics and health management of power electronics

Prognostics and health management (PHM) is a major tool enabling systems to evaluate their reliability in real-time operation. Despite ground-breaking advances in most engineering and scientific disciplines during the past decades, reliability engineering has not seen significant breakthroughs or noticeable advances. Therefore, self-awareness of the embedded system is also often required in the sense that the system should be able to assess its own health state and failure records, and those of its main components, and take action appropriately. This thesis presents a radically new prognostics approach to reliable system design that will revolutionise complex power electronic systems with robust prognostics capability enhanced Insulated Gate Bipolar Transistors (IGBT) in applications where reliability is significantly challenging and critical. The IGBT is considered as one of the components that is mainly damaged in converters and experiences a number of failure mechanisms, such as bond wire lift off, die attached solder crack, loose gate control voltage, etc. The resulting effects mentioned are complex. For instance, solder crack growth results in increasing the IGBT’s thermal junction which becomes a source of heat turns to wire bond lift off. As a result, the indication of this failure can be seen often in increasing on-state resistance relating to the voltage drop between on-state collector-emitter. On the other hand, hot carrier injection is increased due to electrical stress. Additionally, IGBTs are components that mainly work under high stress, temperature and power consumptions due to the higher range of load that these devices need to switch. This accelerates the degradation mechanism in the power switches in discrete fashion till reaches failure state which fail after several hundred cycles. To this end, exploiting failure mechanism knowledge of IGBTs and identifying failure parameter indication are background information of developing failure model and prognostics algorithm to calculate remaining useful life (RUL) along with ±10% confidence bounds. A number of various prognostics models have been developed for forecasting time to failure of IGBTs and the performance of the presented estimation models has been evaluated based on two different evaluation metrics. The results show significant improvement in health monitoring capability for power switches.Furthermore, the reliability of the power switch was calculated and conducted to fully describe health state of the converter and reconfigure the control parameter using adaptive algorithm under degradation and load mission limitation. As a result, the life expectancy of devices has been increased. These all allow condition-monitoring facilities to minimise stress levels and predict future failure which greatly reduces the likelihood of power switch failures in the first place

Cycle Time Estimation in a Semiconductor Wafer Fab: A concatenated Machine Learning Approach

Die fortschreitende Digitalisierung aller Bereiche des Lebens und der Industrie lässt die Nachfrage nach Mikrochips steigen. Immer mehr Branchen – unter anderem auch die Automobilindustrie – stellen fest, dass die Lieferketten heutzutage von den Halbleiterherstellern abhängig sind, was kürzlich zur Halbleiterkrise geführt hat. Diese Situation erhöht den Bedarf an genauen Vorhersagen von Lieferzeiten von Halbleitern. Da aber deren Produktion extrem schwierig ist, sind solche Schätzungen nicht einfach zu erstellen. Gängige Ansätze sind entweder zu simpel (z.B. Mittelwert- oder rollierende Mittelwertschätzer) oder benötigen zu viel Zeit für detaillierte Szenarioanalysen (z.B. ereignisdiskrete Simulationen). Daher wird in dieser Arbeit eine neue Methodik vorgeschlagen, die genauer als Mittelwert- oder rollierende Mittelwertschätzer, aber schneller als Simulationen sein soll. Diese Methodik nutzt eine Verkettung von Modellen des maschinellen Lernens, die in der Lage sind, Wartezeiten in einer Halbleiterfabrik auf der Grundlage einer Reihe von Merkmalen vorherzusagen. In dieser Arbeit wird diese Methodik entwickelt und analysiert. Sie umfasst eine detaillierte Analyse der für jedes Modell benötigten Merkmale, eine Analyse des genauen Produktionsprozesses, den jedes Produkt durchlaufen muss – was als "Route" bezeichnet wird – und entwickelte Strategien zur Bewältigung von Unsicherheiten, wenn die Merkmalswerte in der Zukunft nicht bekannt sind. Zusätzlichwird die vorgeschlagene Methodik mit realen Betriebsdaten aus einerWafer-Fabrik der Robert Bosch GmbH evaluiert. Es kann gezeigt werden, dass die Methodik den Mittelwert- und Rollierenden Mittelwertschätzern überlegen ist, insbesondere in Situationen, in denen die Zykluszeit eines Loses signifikant vom Mittelwert abweicht. Zusätzlich kann gezeigt werden, dass die Ausführungszeit der Methode signifikant kürzer ist als die einer detaillierten Simulation

A review of data mining applications in semiconductor manufacturing

The authors acknowledge Fundacao para a Ciencia e a Tecnologia (FCT-MCTES) for its financial support via the project UIDB/00667/2020 (UNIDEMI).For decades, industrial companies have been collecting and storing high amounts of data with the aim of better controlling and managing their processes. However, this vast amount of information and hidden knowledge implicit in all of this data could be utilized more efficiently. With the help of data mining techniques unknown relationships can be systematically discovered. The production of semiconductors is a highly complex process, which entails several subprocesses that employ a diverse array of equipment. The size of the semiconductors signifies a high number of units can be produced, which require huge amounts of data in order to be able to control and improve the semiconductor manufacturing process. Therefore, in this paper a structured review is made through a sample of 137 papers of the published articles in the scientific community regarding data mining applications in semiconductor manufacturing. A detailed bibliometric analysis is also made. All data mining applications are classified in function of the application area. The results are then analyzed and conclusions are drawn.publishersversionpublishe

The Threat of Plant Toxins and Bioterrorism: A Review

The intentional use of highly pathogenic microorganisms, such as bacteria, viruses or their toxins, to spread mass-scale diseases that destabilize populations (with motivations of religious or ideological belief, monetary implications, or political decisions) is defined as bioterrorism. Although the success of a bioterrorism attack is not very realistic due to technical constraints, it is not unlikely and the threat of such an attack is higher than ever before. It is now a fact that the capability to create panic has allured terrorists for the use of biological agents (BAs) to cause terror attacks. In the era of biotechnology and nanotechnology, accessibility in terms of price and availability has spread fast, with new sophisticated BAs often being produced and used. Moreover, there are some BAs that are becoming increasingly important, such as toxins produced by bacteria (e.g., Botulinum toxin, BTX), or Enterotoxyn type B, also known as Staphylococcal Enterotoxin B (SEB)) and extractions from plants. The most increasing records are with regards to the extraction / production of ricin, abrin, modeccin, viscumin and volkensin, which are the most lethal plant toxins known to humans, even in low amounts. Moreover, ricin was also developed as an aerosol biological warfare agent (BWA) by the US and its allies during World War II, but was never used. Nowadays, there are increasing records that show how easy it can be to extract plant toxins and transform them into biological weapon agents (BWAs), regardless of the scale of the group of individuals

Intelligent Circuits and Systems

ICICS-2020 is the third conference initiated by the School of Electronics and Electrical Engineering at Lovely Professional University that explored recent innovations of researchers working for the development of smart and green technologies in the fields of Energy, Electronics, Communications, Computers, and Control. ICICS provides innovators to identify new opportunities for the social and economic benefits of society.　 This conference bridges the gap between academics and R&D institutions, social visionaries, and experts from all strata of society to present their ongoing research activities and foster research relations between them. It provides opportunities for the exchange of new ideas, applications, and experiences in the field of smart technologies and finding global partners for future collaboration. The ICICS-2020 was conducted in two broad categories, Intelligent Circuits & Intelligent Systems and Emerging Technologies in Electrical Engineering

Advanced Process Monitoring for Industry 4.0

This book reports recent advances on Process Monitoring (PM) to cope with the many challenges raised by the new production systems, sensors and “extreme data” conditions that emerged with Industry 4.0. Concepts such as digital-twins and deep learning are brought to the PM arena, pushing forward the capabilities of existing methodologies to handle more complex scenarios. The evolution of classical paradigms such as Latent Variable modeling, Six Sigma and FMEA are also covered. Applications span a wide range of domains such as microelectronics, semiconductors, chemicals, materials, agriculture, as well as the monitoring of rotating equipment, combustion systems and membrane separation processes

Improving Demand Forecasting: The Challenge of Forecasting Studies Comparability and a Novel Approach to Hierarchical Time Series Forecasting

Bedarfsprognosen sind in der Wirtschaft unerlässlich. Anhand des erwarteten Kundenbe-darfs bestimmen Firmen beispielsweise welche Produkte sie entwickeln, wie viele Fabri-ken sie bauen, wie viel Personal eingestellt wird oder wie viel Rohmaterial geordert wer-den muss. Fehleinschätzungen bei Bedarfsprognosen können schwerwiegende Auswir-kungen haben, zu Fehlentscheidungen führen, und im schlimmsten Fall den Bankrott einer Firma herbeiführen. Doch in vielen Fällen ist es komplex, den tatsächlichen Bedarf in der Zukunft zu antizipie-ren. Die Einflussfaktoren können vielfältig sein, beispielsweise makroökonomische Ent-wicklung, das Verhalten von Wettbewerbern oder technologische Entwicklungen. Selbst wenn alle Einflussfaktoren bekannt sind, sind die Zusammenhänge und Wechselwirkun-gen häufig nur schwer zu quantifizieren. Diese Dissertation trägt dazu bei, die Genauigkeit von Bedarfsprognosen zu verbessern. Im ersten Teil der Arbeit wird im Rahmen einer überfassenden Übersicht über das gesamte Spektrum der Anwendungsfelder von Bedarfsprognosen ein neuartiger Ansatz eingeführt, wie Studien zu Bedarfsprognosen systematisch verglichen werden können und am Bei-spiel von 116 aktuellen Studien angewandt. Die Vergleichbarkeit von Studien zu verbes-sern ist ein wesentlicher Beitrag zur aktuellen Forschung. Denn anders als bspw. in der Medizinforschung, gibt es für Bedarfsprognosen keine wesentlichen vergleichenden quan-titativen Meta-Studien. Der Grund dafür ist, dass empirische Studien für Bedarfsprognosen keine vereinheitlichte Beschreibung nutzen, um ihre Daten, Verfahren und Ergebnisse zu beschreiben. Wenn Studien hingegen durch systematische Beschreibung direkt miteinan-der verglichen werden können, ermöglicht das anderen Forschern besser zu analysieren, wie sich Variationen in Ansätzen auf die Prognosegüte auswirken – ohne die aufwändige Notwendigkeit, empirische Experimente erneut durchzuführen, die bereits in Studien beschrieben wurden. Diese Arbeit führt erstmals eine solche Systematik zur Beschreibung ein. Der weitere Teil dieser Arbeit behandelt Prognoseverfahren für intermittierende Zeitreihen, also Zeitreihen mit wesentlichem Anteil von Bedarfen gleich Null. Diese Art der Zeitreihen erfüllen die Anforderungen an Stetigkeit der meisten Prognoseverfahren nicht, weshalb gängige Verfahren häufig ungenügende Prognosegüte erreichen. Gleichwohl ist die Rele-vanz intermittierender Zeitreihen hoch – insbesondere Ersatzteile weisen dieses Bedarfs-muster typischerweise auf. Zunächst zeigt diese Arbeit in drei Studien auf, dass auch die getesteten Stand-der-Technik Machine Learning Ansätze bei einigen bekannten Datensät-zen keine generelle Verbesserung herbeiführen. Als wesentlichen Beitrag zur Forschung zeigt diese Arbeit im Weiteren ein neuartiges Verfahren auf: Der Similarity-based Time Series Forecasting (STSF) Ansatz nutzt ein Aggregation-Disaggregationsverfahren basie-rend auf einer selbst erzeugten Hierarchie statistischer Eigenschaften der Zeitreihen. In Zusammenhang mit dem STSF Ansatz können alle verfügbaren Prognosealgorithmen eingesetzt werden – durch die Aggregation wird die Stetigkeitsbedingung erfüllt. In Expe-rimenten an insgesamt sieben öffentlich bekannten Datensätzen und einem proprietären Datensatz zeigt die Arbeit auf, dass die Prognosegüte (gemessen anhand des Root Mean Square Error RMSE) statistisch signifikant um 1-5% im Schnitt gegenüber dem gleichen Verfahren ohne Einsatz von STSF verbessert werden kann. Somit führt das Verfahren eine wesentliche Verbesserung der Prognosegüte herbei. Zusammengefasst trägt diese Dissertation zum aktuellen Stand der Forschung durch die zuvor genannten Verfahren wesentlich bei. Das vorgeschlagene Verfahren zur Standardi-sierung empirischer Studien beschleunigt den Fortschritt der Forschung, da sie verglei-chende Studien ermöglicht. Und mit dem STSF Verfahren steht ein Ansatz bereit, der zuverlässig die Prognosegüte verbessert, und dabei flexibel mit verschiedenen Arten von Prognosealgorithmen einsetzbar ist. Nach dem Erkenntnisstand der umfassenden Literatur-recherche sind keine vergleichbaren Ansätze bislang beschrieben worden

Technology 2003: The Fourth National Technology Transfer Conference and Exposition, volume 2

Proceedings from symposia of the Technology 2003 Conference and Exposition, Dec. 7-9, 1993, Anaheim, CA, are presented. Volume 2 features papers on artificial intelligence, CAD&E, computer hardware, computer software, information management, photonics, robotics, test and measurement, video and imaging, and virtual reality/simulation