Neunfach längere Lebensdauer - Semikron

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Neunfach längere Lebensdauer - Semikron

Titelstory: Leistungselektronik

Power-Module

Neunfach längere

Lebensdauer

Mit einfachen Mitteln, bewährter Verbindungstechnik und

der entsprechenden Fachkenntnis lässt sich die Lebensdauer

von Leistungshalbleiter-Modulen um das 9-fache

steigern. Wie es geht, zeigt dieser Beitrag.

Christoph Scheuermann*

Neue Verfahren zum Aufbringen

der Leistungsbauteile auf das Substrat

werden entwickelt und haben

entscheidenden Einfluss auf die Lebensdauer.

Eine zentrale Rolle bei

diesen Betrachtungen spielt nach

wie vor auch die Kontaktierung der

Chipoberseite mittels Drahtverbindungen.

Die hierbei eingesetzte

Methode des Ultraschallverschweißens

ist rein physikalisch gesehen

leicht zu verstehen. Sie bietet jedoch

immer noch weitere Optimierungsmöglichkeiten

zur Steigerung

der Zuverlässigkeit, da das Versagen

dieser Verbindung einer der

*Christoph Scheuermann ist Prozess-Ingenieur

bei SEMIKRON, Nürnberg.

Hauptausfallgründe eines Leistungsbauteiles

ist. Natürlich spielt

hierbei auch die Verbindungstechnik

zwischen Leistungshalbleiter-

Chip und Substrat eine wichtige

Rolle, dieser Aspekt wird hier aber

nicht näher betrachtet. Vielmehr

soll neben der Anbindung des

Bonddrahtes an die Chipoberseite

auch der Einfluss der Bondloop-

Geometrie auf die Zuverlässigkeit

abgetestet werden. Dieser Aspekt

wurde schon in einer Veröffentlichung

von Ramminger unter rein

mechanischer Belastung untersucht

(Quelle: S. Ramminger,

N. Seliger, G. Wachutka, Reliability

Model for Al Wire Bonds subjected

to Heel Crack failures, Proceedings

of ESREF 2000).

Die Ergebnisse eines

Zuverlässigkeitstests

Was jedoch noch nicht betrachtet

wurde sind die Eigenschaften optimierter

Geometrie in einem Power-

Cycling-Test. Hier wird neben der

mechanischen auch die thermische

Belastung unter Bedingungen getestet,

die den realen Betriebsumgebungen

von Leistungsmodulen

am nächsten kommen. Die Ergebnisse

dieser Zuverlässigkeitstests

werden hier beschrieben.

Ein Leistungsmodul erreicht das

Ende seiner Lebensdauer meist aufgrund

des Versagens der Bondverbindung

auf der Chipoberseite.

Hierbei kann man im Allgemeinen

zwischen zwei Ausfallmechanismen

unterscheiden. Der Bondabheber,

verursacht durch das Versagen

der Verbindung zwischen dem

Bondfuß und der Chipmetallisierung

aufgrund von Rissbildung auf

der einen, und der Fersenbruch, ein

Abbrechen des Bonddrahtes am

Übergangsbereich zwischen Bondfuß

und Bondloop, ebenfalls aufgrund

von Rissbildung, auf der anderen

Seite. Dabei können sich beide

Ausfallbilder gegenseitig beeinflussen.

Der Fersenbruch eines oder

mehrerer Drähte führt dazu, dass

nun mehr Strom über die übrigen

Bonddrähte und damit Bondfüße

geleitet wird. Dies führt zu einer

übermäßigen Erwärmung dieser

Verbindungen und letztendlich ▶

■In diesen Bondloops

liegt enormes Potenzial,

die Lebensdauer eines

Leistungshalbleiters drastisch

zu verlängern

• ElektronikPraxis Leistungselektronik & Stromversorgungen III – Oktober 2010


Titelstory: Leistungselektronik

▶ zum verfrühten Ausfall aufgrund von

Bondabhebern. Bei der Analyse ausgefallener

Leistungsbauteile kann aber in den

meisten Fällen unterschieden werden,

welcher der beiden Mechanismen als erstes

auftrat und damit als Hauptausfallursache

angesehen werden kann.

Die Hauptausfallursache des Bondabhebers

kann durch eine Optimierung der

■Bild 1: Auftretendes

Fehlerbild

(oben) eines Fersenbruches

nach einem

Power-Cycling-Test.

Es sind sowohl Ansätze

von Brüchen

durch Rissbildung

als auch ein komplettes

Abbrechen

des Bonddrahtes

vom Bondfuß zu erkennen.

Unten: Auftretendes

Fehlerbild

eines Bondabhebers

nach einem Power-

Cycling-Test.

■Bild 2: Schematischer

Verlauf eines

Bonddrahtes. Eingezeichnet

sind die

Parameter Loophöhe

L, Bondfußabstand

A und Position

Bondloop P. In

den hier beschriebenen

Untersuchungen

wurde

lediglich die Loophöhe

variiert.

Bondparameter Kraft, Leistung und Zeit

auf die entsprechende Oberfläche oder

deren entsprechende Vorbehandlung

möglichst weit hinausgezögert werden.

Sicherlich haben diese Parameter auch

einen Einfluss auf das Auftreten von Fersenbrüchen.

Eine zu hohe Bondkraft und

Bondleistung kann den Übergangsbereich

zwischen Bondfuß und Bonddraht

entsprechend vorschädigen und dann

unter Belastung zum frühen Ausfall führen.

Großen Einfluss auf das Auftreten

von Fersenbrüchen hat auch die Geometrie

des Bonddrahtes, also die

Loopformung zwischen zwei Bondfüßen.

Gezielte Optimierungen

der Bondloops

Die hier beschriebenen Untersuchungen

wurden mit Drahtdicken >100 µm, also

Dickdraht, durchgeführt. Bild 3 zeigt den

Verlauf eines solchen Bonddrahtes.

Dabei sind vor allem die drei eingezeichneten

Parameter Loophöhe, Bondfußabstand

und Position-Bondloop interessant.

In der erwähnten Veröffentlichung zeigte

Ramminger, dass das Verhältnis von Loophöhe

zu Loopweite unter rein mechanischer

Belastung den größten Einfluss

auf die Zuverlässigkeit hat. Da der Bondfußabstand

bei den von uns verwendeten

Testmodulen nicht variiert werden

konnte, wurde lediglich die Loophöhe

verändert und deren Wirkung auf die Zuverlässigkeit

in Power-Cycling-Tests untersucht.

Der Faktor „Position-Bondloop“

wurde nicht explizit betrachtet bzw. gezielt

variiert. Er ergibt sich aus den gewählten

Loop-Parametern und der -höhe.

Es wurden nun Bauteile mit verschiedenen

Loophöhen für die nachfolgenden

Tests aufgebaut. Um sicher zu stellen,

dass alle erhaltenen Ergebnisse rein auf

die unterschiedlichen Loophöhen und

nicht etwa auf eventuell auftretende Ermüdungen

der Verbindungsschicht zwischen

Chip und Substrat zurückzuführen

sind, wurden alle Testbauteile mittels Sintertechnologie

aufgebaut.

Als Kriterium zur Bewertung der Zuverlässigkeit

der verschiedenen Loophöhen,

galt die erreichte Zyklenzahl bis zum Aus-


Titelstory: Leistungselektronik

Bondloops: Verbessern Sie die Zuverlässigkeit

■Bild 3: Vergleich

zweier getesteter

Loop-Geometrien.

Die Bilder zeigen

Lötmodule. Die in

diesem Artikel beschriebenen,

getesteten

Sintermodule

wurden aber mit

identischen Loop-

Parametern gebondet.

Es gibt etliche Möglichkeiten die Zuverlässigkeit

von Leistungshalbleiter-Modulen

zu verbessern. Einige von ihnen erfordern

dazu enormem Entwicklungseinsatz

oder verlangen die Einführung neuer

Prozesse, die mit hohem Kosten- und

Personalaufwand verbunden sind. Andere

hingegen bedingen lediglich die genauere

Untersuchung der schon bestehenden

Prozesse und Techniken. Weil die Kontaktierung

der Oberseite der Leistungshalbleiter-Chips

aktuell hauptsächlich mittels

Drahtbonden realisiert wird, lohnt es sich,

diese Technologie noch einmal näher

unter die Lupe zu nehmen und deren

Auswirkung auf die Zuverlässigkeit eines

Leistungshalbleiters zu untersuchen. Das

Ergebnis ist hochinteressant. Der Beitrag

zeigt, wie mit geringem Aufwand ein

enormer Nutzen erzielt wird.




















fall und das hier auftretende Ausfallbild in

einem Power-Cycling-Test. Es wurde eine

Testbedingung von ΔT = 70 K (80 bis

150 °C) gewählt. Erfahrungen haben

gezeigt, dass bei diesem Temperaturhub

gerade die Bondverbindung auf der

Chipoberseite belastet wird und somit die

Ergebnisse direkte Rückschlüsse auf den

Einfluss der Loop-Geometrie zulassen.

Während der Dauer der Power-Cycling-

Tests wurden die Umschalttemperaturen

protokolliert. Es ergab sich bis zum letztendlichen

Versagen der Bondverbindung

(und damit dem Ausfall des Leistungsmoduls)

keine zusätzliche Erwärmung

der Versuchsanordnung.

Nach Abschluss der Power-Cycling-Tests

hat sich gezeigt, dass der Einsatz hoher

Bondloops zu einer deutlichen Steigerung

der Zyklenzahl führt. Eine Erhöhung

der Loops von etwa 1,3 mm auf 3 mm

führte zu einer Steigerung der zu erwartenden

Lebensdauer von rund 70.000 auf

650.000 Lastwechsel-Zyklen. Dabei ergibt

sich diese Steigerung hauptsächlich aus

der Tatsache, dass sich das Fehlerbild von

relativ früh auftretenden Fersenbrüchen

hin zu wesentlich später auftretenden

Bondabhebern verlagert. Die erhöhte

Loop-Geometrie hat tatsächlich auch

unter thermomechanischer Belastung

eine stark positive Auswirkung auf die

Zuverlässigkeit von Leistungsmodulen.

Die Testreihen verdeutlichten, dass eine

Optimierung der Loop-Geometrie hinsichtlich

der maximalen Bondhöhe die

Zuverlässigkeit von Leistungshalbleiter-

Bauteilen auch in Power-Cycling-Tests

wesentlich verbessern und die Lebensdauer

um das 9-fache steigern kann.

Der Grund hierfür ist das Vermeiden von

relativ früh auftretenden Fersenbrüchen.

Dies zeigt, dass die eingangs erwähnten

Erkenntnisse von Ramminger auch auf

Testbedingungen angewendet werden

können, die den realen Umgebungsbedingungen

von Leistungsbauteilen

sehr nahe kommen.

(ku)

SEMIKRON

Tel. +49(0)911 65590

www.elektronikpraxis.de

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ElektronikPraxis Leistungselektronik & Stromversorgungen III – Oktober 2010 •

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