Echtzeit-Diagnose von Fehlern in Leistungselektronik-Modulen

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Schnelle Diagnose von Bond-Drähten

An Bond-Drähten können zwei Arten von Fehlern auftreten, die beide durch thermisch induzierten Stress und übermäßige Wärme verursacht werden. Diese sind in Bild 3 dargestellt. Die Mikrostruktur der Bond-Drähte kann sich über die Zeit verändern, wodurch Risse und Spalten entstehen oder das Lot ermüdet, das sie mit dem Die verbindet. Dadurch löst sich der Draht vollständig ab. Die Herausforderung besteht darin, diese Fehler, die während des Lastwechsels in Echtzeit auftreten, zu analysieren und die genaue Ursache und Zeit (Anzahl der Lastwechsel) für den Ausfall festzustellen.

Das Prüfgerät kann viele Spannungen und Ströme des Prüflings messen und speichern. Ein Beispiel ist die Durchlassspannung, die bei eingeschaltetem Lastwechselstrom mit einer Auflösung von 12 µV ausgelesen werden kann. In Bild 4 ist die Spannung des Prüflings während des Lastwechsels im Vergleich zur Anzahl der Zyklen dargestellt. Ein Spannungsanstieg weist entweder auf einen abgelösten oder verschlechterten (gebrochenen) Bond-Draht hin.

Die Abbildung zeigt, dass in einem Bereich von 5600 bis 5900 Zyklen die Verbindung im Bond-Draht unterbrochen wird. Forciert man einen hohen Strom durch die Bond-Drähte zum Die, mit immer weniger Drähten, wird dies die Spannung erhöhen.

Detektion von Delaminierungen am Substrat

Da die Wärme von der Sperrschicht des Leistungstransistors über den Aufbau an die Umgebung abgegeben wird (Bild 5), zeigt die vom Tester generierte Strukturfunktion ein äquivalentes Modell des Schichtaufbaus, das durch thermische Widerstände und Kapazitäten entlang dieses Wämeleitpfades ausgedrückt wird.

Der Wärmestrom durch das ursprünglich gute Modul von der Sperrschicht zur Umgebung kann entlang der blauen, türkisenen und roten Linen in der Grafik verfolgt werden. Die horizontalen Abschnitte des Graphen stellen Schichten mit hohem Wärmewiderstand dar (wie das Chip-Lot, Lötzinn der Grundplatine und die Wärmeleitpaste, in dieser Reihenfolge), die wesentlich dünner sind. Das bedeutet, dass sie zwar nicht viel Wärme speichern können, aber einen beachtlichen thermischen Widerstand bieten.

Vertikale Segmente stellen Schichten mit mehr Wärmekapazität dar (sie weisen eine höhere Kapazität zur Wärmespeicherung sowie etwas Widerstand auf) wie die Grundplatine. Typische Fehler treten in dünneren Befestigungsschichten auf, wie dem Chip-Lot, Lötzinn der Grundplatine und der Wärmeleitpaste. In diesem Fall ist es das Ziel, die Schicht und den Bereich der Lastwechsel festzulegen, wo die Verschlechterung aufzutreten beginnt. Dabei handelt es sich in der Regel um Delaminierung.

Die in Bild 5 dargestellte Strukturfunktion wurde beim Lastwechsel in Echtzeit generiert. Wenn in der Strukturfunktion Änderungen auftreten (in Bild 6 als langes Segment des Widerstandsgraphen dargestellt), so weist dies darauf hin, dass sich in dieser Schicht des Stack-ups etwas ändert (in diesem Fall die Lötschicht der Grundplatine). Eine typische Ursache für erhöhten Widerstand könnte eine Delaminierung oder Rissbildung in der Schicht sein, da Luft ein schlechterer Wärmeleiter als der ursprüngliche Festkörper ist.