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Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL 2014

Modellierung von Ermüdungsausfällen durch aktive Lastwechseltests

Aaron Hutzler Adam Tokarski Andreas Schletz Fraunhofer IISB Landgrabenstr. 94 90443 Nürnberg

11.-12. Februar 2014

Aaron Hutzler

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Motivation für aktive Lastwechseltests

Testplanung

Konzept aktiver Lastwechseltests

Durchgeführte Tests

Testergebnisse

Zusammenfassung und Ausblick

Gliederung

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Fraunhofer IISB Erlangen-Nürnberg

Mechatronic Systems

Analysis of Failure

Mechanisms

Accelerated Aging

Joining Technologies

Device Technologies

Lifetime Modeling

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Motivation

Anforderungen zukünftiger Baugruppen*

Hohe Schaltströme

Höchste Schaltfrequenzen

Steigende Betriebstemperaturen

Hohe Zuverlässigkeit

Hohe Langzeitstabilität

Schlussfolgerung: Tests notwendig

*Quelle: EBL Programmflyer

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Testplanung: Welche Erkenntnisse soll der Test bringen?

Lebensdauer-Test

Technologie-Vergleich

Robustheits-

test

Anwendungs-naher Test

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Aktive Lastwechseltests

Temperaturwechsel während der Anwendung

Eigenerwärmung durch Halbleiter-Verluste

Aufheizen mit Strom

Entwärmen mit Kühler

Zeit

Strom an

Strom aus

1 Lastwechsel

Tem

pera

tur

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Aktive Lastwechseltests

6 unabhängige Teststände

Energie-Einspeisung

Heizquelle

400A / 35V

800A / 15V

2000A / 20V

PC + Datenerfassung

Kammer für bis zu 20 Prüflingen

Temperiergeräte

-60..+350°C

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Aktive Lastwechsel: Testaufbau

Kühlmittel Kühler

Wärmeleitpaste/Folie

TO-Bauteil Lotschicht

Federn

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Durchgeführte Tests Technologie-Vergleich

Bauteile zweier Hersteller

4mm2 Chipfläche

IGBT 600V/10A

Heizstrom = 5A

Heizleistung: 12 W

ΔT = 120K

40 Proben

Lebensdauermodellierung

Ein Bauteil bei mehreren ΔT

30mm2 Chipfläche

MOSFET 30V/200A

Heizstrom = 80A / 93A

Heizleistung: 130 W / 180 W

ΔT = 80K / 120K

40 Proben

10000

100000

80 90 100 110 120

La

stw

ec

hse

lzyk

len

Temperaturhub ∆T [K]

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Durchgeführte Tests

Kühlmitteltemperatur Tmin: 40°C

Temperaturhub ΔT: 120 K (Tmax – Tmin)

Maximale Bauteiltemperatur Tmax: 160°C

Zykluszeit ton/toff: 15s

time

Strom an Strom aus

ton toff

Tmax

Tmin

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0

5.000

10.000

15.000

20.000

B A

La

stw

ech

sel

bis

zu

m A

usf

all

Bauteil Hersteller

Power Cycling: Ergebnisse Technologie-Vergleich

1. Ausfall

Letzter Ausfall

Median

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Technologie-Vergleich

Ausfallursache: bond wire lift off

Keine Lotschicht-Beschädigung

Kein Anstieg des therm. Widerstands

Anstieg der Heizspannung

8

10

12

14

16

18

20

1,2

1,4

1,6

1,8

2,0

2,2

2,4

0 5000 10000

Th

erm

isch

er

Wid

ers

tan

d [

K/W

]

He

izsp

an

nu

ng

U

[V]

Lastwechselzyklen

Heizen U in V

Rth ges. in K/W

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Ergebnisse Technologie-Vergleich

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0

10000

20000

30000

40000

50000

60000

80 120

La

stw

ech

sel

bis

zu

m A

usf

all

Bauteil Hersteller

Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung

1. Ausfall

Letzter Ausfall

Median

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Power Cycling: Ergebnisse

Ausfallursache: Lotschicht versagen

Keine Bonddraht-Abheber

Anstieg des thermischen Widerstands

Konstante Heizspannung

10

12

14

16

18

20

80

100

120

140

160

0 10000 20000Lastwechselzyklen

Th

erm

isch

er

Wid

ers

tan

d

[K/W

]

Tem

pe

ratu

r [°

C]

dT

Rth ges. in K/W

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Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung

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Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung Statistische Auswertung der Lastwechsel-Daten (Weibull)

Verwendung einer Ausfallwahrscheinlichkeit (z.B. 5%)

Potenz-Gesetz: Nf = c1 * dTc2

y = 7E+07x-1,828

10000

100000

40 60 80 100 120 140

La

stw

ech

selz

yk

len

Temperaturhub ∆T [K]

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Problem: Wechselwirkungen

Lotschichtversagen führt zu Temperaturerhöhung des Chips

Stress auf Bonddrähte steigt

Bonddrähte lösen sich vom Halbleiter

Höhere Strombelastung der übrigen Bonddrähte

Temperatur der übrigen Drähte steigt

Folge: Extremer Temperaturanstieg

Ausfall-Analyse

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Schädigungseffekt

Welchen Effekt hat ein Fehler?

Kurzschluss, Leerlauf, Erwärmung, usw.

Ausfallursache

Was löst den Fehler aus? (Umwelt / Design)

Bonddrähte, Lotschicht, Kühlung, usw.

Schädigungsmechanismus

Welcher Prozess liegt zu Grunde?

Risswachstum, Migration, Korrosion, usw.

Modellierung

Mathematisches/Statistisches Modell

Arrhenius, Coffin-Manson, usw.

Physics of Failure Methode

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Zusammenfassung

Trend zum Hochstrom/ Hochintegration

Eigenerwärmung der Bauteile führt zu Verschleißausfällen

Lastwechseltests können deren Einfluss aufdecken

Einfluss auf Bonddrähte, Lotschichten

Einfluss auf weitere Bauteile

Wechselwirkungen innerhalb des Packages und mit anderen Bauteilen

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Neue Technologien

Kupfer-Dick-Drahtbonden

Silber-Sintern (drucklos)

Bändchen-Sintern

Hohe Betriebstemperaturen

Hohe Zuverlässigkeit

Hohe Langzeitstabilität

Aber: Tests notwendig

Ausblick

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1) Wir helfen, die richtigen Fragen zu stellen

2) Aktive und passive Lastwechseltests, Vibrationstests, Heißlagerung, usw.

3) Lock-in Thermographie, Focused Ion Beam, Rasterelektronenmikroskopie

4) Entwicklung neuer Technologien wie z.B. Silber-Sintern

Define Measure Analyze Design Verify

Lastwechseltests: Einbindung in (Design for) Six Sigma

Innovationsziele definieren1

Daten erfassen und auswerten2

Haupteinflüsse identifizieren3

Lösungen entwickeln4

Produkte erproben2

Wir begleiten Sie durch den gesamten Six-Sigma Prozess.

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Von Hochstrom bis Hochintegration: Zuverlässigkeitstest benötigt!

Aaron Hutzler

Aaron.Hutzler@iisb.fraunhofer.de Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB Landgrabenstraße 94 ● 90443 Nuremberg ● Phone +49-911-23568-25

www.iisb.fraunhofer.de