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Entwicklung und Implementierung einer verbesserten Lastwechseltestmethode zur experimentellen Bestimmung der Zuverlässigkeit von Dickdrahtbonds in Leistungsmodulen
Göhre, Jens-Martin
Rissbildung in der Verbindungszone zwischen Al-Dickdrahtbond und Leistungshalbleiter-chip durch thermomechanische Wechselbelastung und der daraus resultierende Draht-bond-Abheber (Lift-Off) stellen derzeit den dominierenden Fehlermechanismus in zuver-lässigkeitsoptimiert aufgebauten Leistungsmodulen dar.
Die bisher zur Bestimmung der Modullebensdauer standardmäßig eingesetzten aktiven Lastwechseltests (Active Power Cycling) sind nicht geeignet, die Zuverlässigkeit derart zu untersuchen, dass sich die Ergebnisse für die Erstellung eines für diesen Fehlermechanis-mus spezifischen Lebensdauermodells nutzen lassen. Dies ist u.a. zurückzuführen auf die Wechselwirkung gleichzeitig ablaufender, unterschiedlicher Degradationsmechanismen innerhalb des Moduls während der Versuchsdurchführung, so dass es im Bereich der Drahtbondverbindungen zu inkonstanten, in der Regel zunehmenden, Temperaturhubbelastungen kommt.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde eine für die Untersuchung des Fehlermecha-nismus Drahtbond-Abheber optimierte Testmethode entwickelt und in Form eines Test-stands implementiert. Damit wurde es ermöglicht, die Lebensdauer der Dickdrahtbond-verbindung unter vom Nutzer einstellbaren, über die gesamte Laufzeit der Untersuchung hinweg konstanten Temperaturhubbelastungen zu ermitteln. Erstmals erfolgte dabei die Berücksichtigung der lateralen Temperaturverteilung auf der Leistungshalbleiteroberfläche bei der Bestimmung der individuellen Bondstellenbelastungen. Dazu wurden periodisch erstellte Thermografie-Aufnahmen verwendet, die mit Hilfe einer für diesen Zweck entwickelten Software halbautomatisch ausgewertet wurden. Die Bestimmung der dazugehörigen individuellen Bondstellendegradation erfolgte mit Hilfe des Schertests.
Das implementierte Testkonzept wurde auf eine erstmalige systematische Untersuchung und Quantifizierung der Zuverlässigkeitsrelevanz der wichtigsten Bondprozessparameter (Ultraschallleistung und Bondkraft) angewendet. Unter den gegebenen Randbedingungen zeigten die Ergebnisse einen deutlichen Einfluss der Ultraschallleistung aber keinen signifikanten Einfluss der Bondkraft auf die Lebensdauer des Dickdrahtbonds. Es konnte gezeigt werden, dass allein die Erhöhung der Ultraschallleistung innerhalb eines Bereichs, der nach akzeptierten Qualitätsstandards als qualitätsgerecht gilt, insbesondere bei sehr großen Temperaturhüben, zu einer Lebensdauersteigerung der Bondverbindung um den Faktor 2,5 führte. Diese Erkenntnis ist insbesondere für Anwendungen mit hohen zu erwartenden Temperaturhüben, wie die Elektromobilität, relevant. Sie lässt sich darüber hinaus ohne Investitionen in neue oder angepasste Fertigungsanlagen in gesteigerte Drahtbondlebensdauern und damit auch Leistungsmodullebensdauern überführen.
The heavy wire bond lift-off failure on power semiconductors in power modules is the result of cyclic thermo-mechanical stresses and strains and resulting fatigue crack growth in the bonding zone. Today, this failure mechanism has become dominant for the lifetime of reliability-optimized power modules.
Active Power cycling is the main reliability test for determining the lifetime of power modules. However, in its current form this test method is not well suited for establishing a failure mechanism specific lifetime model. This is mainly due to different simultaneous degradation mechanisms in the power module and their interaction that can cause in-creasing temperature cycling loads at the wire bonds.
In this thesis an optimized Active Power Cycling test method for the investigation of the lift-off failure mechanism was developed and implemented in form of a test bench. This test method allowed the experimental determination of the wire bond lifetime under user defined constant load conditions.
For the first time lateral temperature gradients on the power semiconductor surface were considered by determining individual temperature cycling loads for each wire bond. For that purpose, periodic thermography measurements were semi-automatically evaluated using software which has been developed and implemented specifically for that task. The shear test was used to determine the corresponding degradation of the individual wire bond connections in regular intervals.
The implemented test method was applied to a systematic investigation and a first-time quantification of the reliability-relevance of the main bonding process parameters (ultra-sonic power and bonding force). Under the given conditions the results showed a strong impact of the ultrasonic power but a negligible impact of the bonding force on the heavy wire bond lifetime. It was shown that increasing the ultrasonic power within a range that yielded acceptable bonding results (according to common quality criteria) resulted in an increase of the wire bond lifetime by a factor of up to 2.5, especially at large temperature swings. These findings are of significant relevance for applications with expected large temperature variations, such as the electromobility. They can also be transferred into higher wire bond lifetime and therefore also higher power module lifetime without investments in new or adapted wire bonding equipment.
