Der Einfluss von Lastwechseln auf die Lebensdauer von IGBTs

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Ursachen für den Modulausfall

Um die Ursache für den Modulausfall herauszufinden, muss untersucht werden, wie sich die Modulspannung während des Versuchs entwickelt. Bild 3 zeigt die Durchlassspannung von IGBT 1 während des Heizstroms als Funktion der regulierbar durchgeführten Lastwechsel.

Während der ersten 3000 Zyklen ist eine Tendenz zur Degradation festzustellen. Die anfängliche Veränderung wird durch die langsame Verringerung der durchschnittlichen Modultemperatur um ca. 5 °C verursacht. Trotz der negativen Temperaturabhängigkeit der Modulspannung bei niedrigen Strömen, wird die Temperaturabhängigkeit der Durchlassspannung bei hohen Strompegeln positiv.

Nach etwa 35000 Zyklen ändert sich diese Tendenz und die Spannung steigt langsam an. Daraufhin verändert sich die Modulspannung schrittweise, während sich die steigende Tendenz bis zum Ausfall der Komponente kontinuierlich beschleunigt. Da sich die Struktur nicht ändert, kann der Spannungsanstieg auf die Degradation der Bond-Drähte zurückgeführt werden.

Damit lässt sich auch die schrittweise Spannungsänderung interpretieren, wenn sich ein Bond-Draht schließlich ablöst. Die ansteigende Höhe dieser Schritte wird aufgrund der sinkenden Anzahl von Bond-Drähten durch die zunehmende Veränderung der parallelen Widerstandswerte des Wärmewiderstands der Bond-Drähte verursacht. Wird eine Strategie mit Konstantstrom verwendet, erhöht der Bruch eines Bond-Drahtes die Stromdichte in den verbleibenden Bonds und beschleunigt die Alterung (Bild 3).

Der Verlauf der Kurve in Bild 4 entspricht der von IGBT 3. Hier zeichnet sich die steigende Tendenz der Modulspannung schon viel früher ab. Aufgrund der konstanten Sperrschichttemperatur verringert sich der Heizstrom proportional. Der sinkende Strom vermindert die Last an den Bonds und verlängerte die gemessene Lebensdauer.

Schlussfolgerung und Fazit

Die beiden Versuchsreihen zeigen unterschiedliche Ausfallarten und veranschaulichen, wie verschiedene Ansteuerungsstrategien und elektrische Einstellungen die Ausfallmöglichkeit beeinflussen. Die ersten Messreihen mit einer konstanten Zykluszeit entsprechen am besten dem betrieblichen Einsatz. Sie verifizierten, dass der Power Tester 1500A eine beginnende Degradation innerhalb der Modulstruktur inklusive Die-Attach und anderer gefährdeter Schichten sofort erfassen kann.

Der zweite Versuch zeigt eindeutig eine Degradation der Bond-Drähte. Diese wurde durch den schrittweisen Anstieg der Durchlassspannung des Moduls belegt, während sich die thermische Struktur der getesteten Proben bei den Ansteuerungsoptionen (konstanter Strom, konstante Heizleistung und konstanter Temperaturanstieg) nicht geändert hat.

Aufgrund der geringen Anzahl von Proben, muss die Formulierung einer Schlussfolgerung konservativ ausfallen. Jedoch ermahnen uns die Resultate, dass sich die Messergebnisse je nach Lastwechselstrategie unterscheiden können und die Lebensdauervorhersagen auf Basis bestimmter Strategien die reale Lebensdauer von Leistungsbauelementen überschätzen.

Literatur

[1] Sarkany, Z.; Vass-Varnai, A.; Rencz, M.: Investigation of die-attach degradation using power cycling tests, Proceedings of 15th IEEE EPTC, pp 780-784, Singapore. (2013)

[2] Sarkany, Z.; Vass-Varnai, A.; Laky, S.; Rencz, M.: Thermal Transient Analysis of Semiconductor Device Degradation in Power Cycling Reliability Tests with Variable Control Strategies, Proceedings of SEMI-THERM 30, pp. 236-241, San Jose CA. (2014)

* Dr. John Parry arbeitet als Industry Manager Electronics bei Mentor Graphics in Hampton Court / UK.

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