Interview Dr. Ralf Schmidt, Siemens „Lastwechseltests an IGBT-Modulen werden oft mit viel zu hohen Strömen durchgeführt.“

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In seinem bei der diesjährigen PCIM Konferenz prämierten Paper zeigt Dr. Ralf Schmidt von Siemens, dass Leistungshalbleiter in üblichen Lastwechseltests mit deutlich zu hohen Stromstärken beaufschlagt werden. Welche alternative Teststrategie er vorschlägt, erklärt Dr. Schmidt im Interview.

Im Rahmen der PCIM Europe Konferenz (heuer vom 9. bis 11. Mai) in Nürnberg wählt das Programmkomitee unter dem Vorsitz von Prof. Dr. Leo Lorenz, ECPE Deutschland, aus allen Einreichungen die insgesamt besten drei Papers und zeichnet diese mit den „Best Paper Awards“ aus. Unter den diesjährigen Gewinnern dieses Awards ist Dr. Ralf Schmidt, der bei Siemens für die Produktqualifizierung von Leistungselektronik-Komponenten zuständig ist. Sein auf der PCIM Konferenz prämiertes Paper trägt den Titel „Impact of Current Density on Wire Bond Lifetime – Power Cycle Testing with Clamped VCE for Realistic Current Stress”. Im Gespräch mit der ELEKTRONIKPRAXIS erläutert Dr. Schmidt die Details seiner Forschungsarbeiten.

Herr Dr. Schmidt, in Ihrem Paper führen Sie aus, dass IGBT-Module in zyklischen Lebensdauertests meist mit Strompulsen beaufschlagt werden, deren Stromstärken im Vergleich mit realen Anwendungen deutlich zu hoch sind. Warum ist das so?

Dr. Ralf Schmidt: Lastwechseltests sind in der Regel beschleunigte Alterungstests, man versucht also in kurzer Zeit, meist über einige wenige Wochen, eine Aussage über die Lebensdauer des Leistungsmoduls im Feld zu erzielen, die bei mehr als 20 Jahren liegt. Dafür erzeugt man durch Gleichstrompulse am Halbleiter typischerweise Temperaturhübe von mehr als 70 Kelvin – deutlich mehr als in der Anwendung. Für moderne, zuverlässigere Packaging-Technologien benötigt man sogar Hübe von über 110 Kelvin, um in vernünftiger Testzeit einen End-Of-Life-Ausfall zu generieren.

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In beiden Fällen belastet man den Halbleiter mit deutlich höheren Verlustleistungen als in der Anwendung. Dazu kommt, dass bei DC-Lastwechseltests diese Verluste ausschließlich durch Leitverluste im Halbleiter erzeugt werden müssen, da hier keine aktiven Schalthandlungen mit hohen Spannungen und Strömen durchgeführt werden. Diese Schaltverluste tragen im realen Inverterbetrieb aber oftmals mehr zu den Gesamtverlusten bei als die reinen Leitverluste.

Beide Effekte führen dazu, dass im DC-Lastwechseltest Halbleiter und Verbindungstechnik wie Terminals oder die Drahtbonds mit Strompulsen beaufschlagt werden, die um den Faktor 2 bis 3 höher liegen können als in der Stromrichter-Anwendung. Die für den Test notwendigen erhöhten Stromdichten belasten die Verbindungstechnik überproportional, und in manchen Fällen überlasten sie diese sogar, so dass ein DC-Lastwechseltest nicht durchgeführt werden kann.

Am Ende dieser Tests fallen die Module meist aufgrund sich lösender Bonddraht-Verbindungen aus. Welche Vorgänge im Bonddraht bzw. der Verbindung führen im Detail zu dieser Ablösung?

Der Haupteffekt des Bonddraht-Abhebens, auch Lift-off genannt, geht auf die unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten der beiden Fügepartner Aluminiumdraht und Silizium-Halbleiter zurück. Bei der Erwärmung des Halbleiters durch elektrische Verluste im Betrieb versucht das Aluminium sich deutlich mehr auszudehnen als der Si-Chip, dies führt zu mechanischen Spannungszuständen im Bondfuß.

Bei wiederkehrenden Lastzyklen bilden sich horizontale Risse im Aluminiumdraht, welche sich sukzessive Richtung Bondfußmitte ausbreiten. Letztendlich löst sich der Draht vom Chip. Dieser Effekt ist in erster Linie abhängig vom Temperaturhub im Chip und damit unabhängig davon, ob die Erwärmung im Chip durch Leitverluste, Schaltverluste oder einer Kombination aus beidem erzeugt werden.

Als sekundärer Effekt spielt für den Lift-off noch die Erwärmung und daraus resultierende thermische Ausdehnung des Bonddrahts bei Bestromung eine Rolle. In Drahtrichtung entsteht hierbei eine zusätzliche mechanische Belastung an der Ferse und an den Zehen des Bondfußes, welche den Lift-off-Prozess, je nach Stromstärke im Bonddraht, massiv beschleunigen kann. Dieser Effekt ist unabhängig von Schaltverlusten und spielt deswegen im Lastwechsel mit erhöhten DC-Strompulsen eine stärkere Rolle als im Stromrichterbetrieb.

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In Ihrem Projekt haben Sie die Auswirkungen verschiedener Stromdichten auf die Lebensdauer von Bonddraht-Verbindungen erforscht – mit welchen Ergebnissen?

Mit unseren Untersuchungen konnten wir bestätigen, dass mit steigender Stromdichte im Bonddraht der Lift-Off-Prozess beschleunigt wird. So reduzierte sich beispielsweise die Lastwechselfestigkeit eines Versuchsaufbaus auf 40 Prozent der ursprünglich erreichten Lastzyklen, wenn nur die Hälfte der Bonddrähte zur Kontaktierung des Chips verwendet werden. Zusätzlich wurden Ein-Stitch- mit Doppel-Stitch-Layouts verglichen, wobei sich der Einfluss der Stromdichte bei beiden Varianten klar nachweisen ließ. Für mehr Details zu den Versuchsergebnissen sei auf das Paper verwiesen.

Was macht die von Ihnen neu entwickelte Testmethode mit moderaten Strömen aus Ihrer Sicht besser geeignet für Lebensdauertests an IGBT-Modulen?

In den Tests wird der Temperaturhub des Halbleiters durch seine Verlustleistung erzeugt, die sich aus dem Produkt des Kollektorstroms I_C und dem Spannungsabfall V_CE errechnet. Wie bereits erklärt, kann es dazu kommen, dass sich die für den gewünschten Temperaturhub Delta T am Chip nötigen, unverhältnismäßig hohen DC-Testströme bei manchen Modulen nicht mehr über die Zuleitungen zum Chip führen lassen. Bei der von uns vorgestellten Testmethode kann die Spannung V_CE über eine dynamische Regelung der Gatespannung auf einen höheren Wert geklemmt werden, zum Beispiel auf das Doppelte des Normalwertes, und dadurch lässt sich für dieselbe Chip-Verlustleistung der Teststrom reduzieren – in diesem Fall halbieren. Dadurch sinkt die Erwärmung in den Zuleitungen auf 25 Prozent, und das gewünschte Delta T am Chip selbst lässt sich dennoch erreichen. Mit der V_CE-Klemm-Methode eröffnen sich also ganz neue Testmöglichkeiten.

Außerdem werden die Ergebnisse üblicher Lastwechseltests wegen der schneller ermüdenden Drahtbondverbindungen im Bereich großer Temperaturhübe eher unterschätzt. Im Umkehrschluss führt dies dazu, dass die Lebensdauer in applikationsnahen Delta-T-Bereichen überschätzt wird, solange man – wie üblich – eine Extrapolation in einer Potenzgesetz-Abhängigkeit mit einem festen Exponenten ansetzt.

Welche Bedeutung hat dieser neue Ansatz für die Leistungselektronikbranche und welche Folgen könnten sich für die Hersteller der Module ergeben?

Durch den Einsatz fortschrittlicher Materialien und zuverlässigerer Aufbau und Verbindungs-Technologien kann die Leistungsdichte im IGBT-Modul immer weiter gesteigert werden. Dies führt letztendlich zu der Notwendigkeit, Tests bei immer höheren Delta T durchzuführen. Dadurch wird das Thema der Limitierung durch Stromtragfähigkeit von Anschlüssen in Zukunft noch dringlicher werden. Die V_CE-Klemm-Methode erlaubt es, Lastwechselversuche trotzdem bei applikationsnäheren Strömen durchzuführen. Sie trägt dazu bei, präzisere Lebensdauermodelle für IGBT-Module zu generieren und die verschiedenen Einflussparameter besser zu verstehen.

Haben Sie die Methode den zuständigen technischen Gremien als neuen Teststandard vorgeschlagen?

Nein, die Ergebnisse sind ganz frisch und wurden auf der PCIM das erste Mal einem breiteren Publikum vorgestellt. Die aktuelle Norm IEC 60749-34:2010 zu Lastwechseltests an IGBT-Modulen ist relativ allgemein gehalten und meines Erachtens veraltet. So werden die Prüfbedingungen auf 150 °C Sperrschichttemperatur und ein Delta T von maximal 80 Kelvin eingeschränkt. Neuere IGBT-Generationen können bereits bis 175 °C betrieben werden, und neue Aufbau- und Verbindungstechniken erfordern teilweise Temperaturhübe bis 130 Kelvin. Hinsichtlich der Strombelastung fordert die Norm, möglichst nahe an der Applikationsstromhöhe und -form zu testen, dies wird mit der V_CE-Klemm-Methode ja gerade adressiert. Zum Betrieb mit reduzierter Gatespannung macht die Norm keine Aussage, es wird lediglich gefordert, dass der IGBT im leitfähigen Zustand aufgesteuert ist. Die von uns entwickelte Methode verstößt also nicht gegen die Vorgaben der Norm. Die IEC Norm kann ab 2025 neu aufgelegt werden, ich gehe davon aus, dass die oben dargestellten Punkte einfließen werden.

Ob die neue Norm ein Testen nach unserer Methode explizit erwähnt, weiß ich noch nicht, da sie ja bestimmt wieder sehr allgemein gehalten wird und auch weiterhin die Möglichkeit bestehen muss, so zu testen wie vorher. Aber bereits die aktuelle Norm erlaubt das Testen nach der neuen Methode. Zusätzlich gilt noch zu klären, inwieweit das Verfahren flächendeckend auch für SiC MOSFETs einsetzbar ist. Dies muss noch erforscht werden, da ein teilweise negativer Temperaturkoeffizient im Ausgangskennlinienfeld beziehungsweise in der Transferkennlinie die Stromverteilung im Chip und den Ausfallmechanismus im Test verändern könnte.

Welchen Stellenwert hat die Auszeichnung des Best Papers auf der PCIM Europe Konferenz für Sie? Erwarten Sie, dass der Award dabei hilft, Ihre neue Testmethode in der Branche zu etablieren?

Die Auszeichnung auf der PCIM ist eine große Ehre für mich und meine Koautoren. Zusätzlich hat der Award natürlich für mehr Sichtbarkeit in der Community gesorgt, als man mit einer normalen Veröffentlichung erreichen kann. Inwieweit die neue Testmethode in Zukunft eingesetzt wird, kann ich noch nicht absehen – ich warte jetzt auf Feedback von Lastwechselkollegen und bin gespannt auf deren Erfahrungen und Erkenntnisse. (cg)

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