Modellierung von Ermüdungsausfällen durch aktive Lastwechseltests

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1 Modellierung von Ermüdungsausfällen durch aktive Lastwechseltests Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL 2014 Adam Tokarski Andreas Schletz Fraunhofer IISB Landgrabenstr Nürnberg Februar 2014

2 Gliederung Motivation für aktive Lastwechseltests Testplanung Konzept aktiver Lastwechseltests Durchgeführte Tests Testergebnisse Zusammenfassung und Ausblick

3 Mechatronic Systems Device Technologies Joining Technologies Lifetime Modeling Fraunhofer IISB Erlangen- Nürnberg Analysis of Failure Mechanisms Accelerated Aging

4 Motivation Anforderungen zukünftiger Baugruppen* Hohe Schaltströme Höchste Schaltfrequenzen Steigende Betriebstemperaturen Hohe Zuverlässigkeit Hohe Langzeitstabilität Schlussfolgerung: Tests notwendig *Quelle: EBL Programmflyer

5 Testplanung: Welche Erkenntnisse soll der Test bringen? Technologie- Vergleich Anwendungsnaher Test Lebensdauer- Test Robustheits- test

6 Temperatur Aktive Lastwechseltests Temperaturwechsel während der Anwendung Eigenerwärmung durch Halbleiter-Verluste Aufheizen mit Strom Entwärmen mit Kühler 1 Lastwechsel Strom an Strom aus Zeit

7 Aktive Lastwechseltests 6 unabhängige Teststände Energie-Einspeisung Heizquelle 400A / 35V 800A / 15V 2000A / 20V PC + Datenerfassung Kammer für bis zu 20 Prüflingen Temperiergeräte C

8 Aktive Lastwechsel: Testaufbau Federn TO-Bauteil Lotschicht Wärmeleitpaste/Folie Kühlmittel Kühler

9 Lastwechselzyklen Durchgeführte Tests Technologie-Vergleich Bauteile zweier Hersteller 4mm 2 Chipfläche IGBT 600V/10A Heizstrom = 5A Heizleistung: 12 W ΔT = 120K 40 Proben Lebensdauermodellierung Ein Bauteil bei mehreren ΔT 30mm 2 Chipfläche MOSFET 30V/200A Heizstrom = 80A / 93A Heizleistung: 130 W / 180 W ΔT = 80K / 120K 40 Proben Temperaturhub T [K]

10 Durchgeführte Tests Kühlmitteltemperatur T min : 40 C Temperaturhub ΔT: 120 K (T max T min ) Maximale Bauteiltemperatur T max : 160 C Zykluszeit t on /t off : 15s t on t off Strom an Strom aus T max T min time

11 Lastwechsel bis zum Ausfall Power Cycling: Ergebnisse Technologie-Vergleich Letzter Ausfall Median Ausfall B Bauteil Hersteller A

12 Heizspannung U [V] Thermischer Widerstand [K/W] Technologie-Vergleich Ausfallursache: bond wire lift off Keine Lotschicht-Beschädigung Kein Anstieg des therm. Widerstands Anstieg der Heizspannung 2,4 2,2 2,0 1,8 1,6 1,4 Heizen U in V Rth ges. in K/W , Lastwechselzyklen

13 Ergebnisse Technologie-Vergleich

14 Lastwechsel bis zum Ausfall Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung Letzter Ausfall Median Ausfall Bauteil Hersteller

15 Temperatur [ C] Thermischer Widerstand [K/W] Power Cycling: Ergebnisse Ausfallursache: Lotschicht versagen Keine Bonddraht-Abheber Anstieg des thermischen Widerstands Konstante Heizspannung dt Rth ges. in K/W Lastwechselzyklen

16 Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung

17 Lastwechselzyklen Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung Statistische Auswertung der Lastwechsel-Daten (Weibull) Verwendung einer Ausfallwahrscheinlichkeit (z.b. 5%) Potenz-Gesetz: Nf = c1 * dtc y = 7E+07x -1, Temperaturhub T [K]

18 Ausfall-Analyse 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

19 Physics of Failure Methode 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.

20 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

21 Ausblick Neue Technologien Kupfer-Dick-Drahtbonden Silber-Sintern (drucklos) Bändchen-Sintern Hohe Betriebstemperaturen Hohe Zuverlässigkeit Hohe Langzeitstabilität Aber: Tests notwendig

22 Lastwechseltests: Einbindung in (Design for) Six Sigma Define Measure Analyze Design Verify Innovationsziele definieren 1 Daten erfassen und auswerten 2 Haupteinflüsse identifizieren 3 Lösungen entwickeln 4 Produkte erproben 2 Wir begleiten Sie durch den gesamten Six-Sigma Prozess. 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

23 Von Hochstrom bis Hochintegration: Zuverlässigkeitstest benötigt! Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB Landgrabenstraße Nuremberg Phone