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Mess- und Simulationsverfahren

Lebensdauerbetrachtungen unter mechanischer Belastung

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Die Bedeutung des thermischen Transientenverfahrens

Die Wahl der richtigen Regelstrategie ist wichtig, um genaue Aussagen über das Verhalten des Bauelements in der realen Applikation zu gewinnen. Wird das Bauteil mit konstantem Strom angesteuert, erhöht sich die Chip-Verlustleistung und somit die Temperatur durch den steigenden elektrischen Widerstand bei Ausfall eines Bonddrahtes.

Wird der Lastwechsel hingegen mit einem definierten Temperaturhub angesteuert, bleibt die Temperaturänderung zwar gleich, die Leistung bzw. der Strom wird jedoch über die Lebensdauer zu- oder abnehmen.

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Während des Lastwechseltests wird in definierten Abständen mit dem thermischen Transientenverfahren der thermische Widerstand der einzelnen Bauteilschichten gemessen. Ändert sich dieser thermische Widerstand während der Untersuchung, deutet das auf einen Ausfall in einer Grenzschicht hin, z.B. zwischen Lot und Silizium.

Durch den Einsatz des thermischen Transientenverfahrens kann die Schicht, die zum Ausfall geführt hat, genau bestimmt werden. Somit sind präzise Aussagen zum Fehlermechanismus möglich. Es kann z.B. ermittelt werden, ob sich der Chip vom Frame abgelöst hat oder in der Baseplate Mikrorisse entstanden sind.

Zusätzlich zum thermischen Widerstand wird während des Versuchs die Flussspannung gemessen. Ändert sich die Flussspannung während der Untersuchung, deutet dies auf einen Bonddrahtbruch durch Liftoff oder Heelcrack hin. Im Gegensatz zum langsamen Anstieg des thermischen Widerstands bei Degradation in einer Lotschicht, findet eine Änderung in der Flussspannung bei Bruch gewöhnlich schlagartig statt.

Beispielsweise sei hier nachfolgend die Lebensdauer-Abschätzung einer Diode in einer Industrie-Anwendung beschrieben. Für die Diode wurde als Randbedingung ein Temperaturhub von 100 K gewählt. Das Ausfallkriterium für die Diode wurde als Anstieg der Flussspannung um 5% definiert. Die Messung der Flussspannung bei einem Temperaturhub von 100 K zeigt vier schlagartige Anstiege, siehe Bild 2. Dieser Anstieg deutet auf ein Versagen der Bonddrähte hin. Da der Widerstand steigt, wird bei Bruch des ersten Bonddrahts, um den gleichen Temperaturhub zu erreichen, eine höhere Spannung benötigt. Im weiteren Verlauf brechen immer mehr Bonddrähte, bis das Bauteil schließlich versagt (Bild 2).

Durch eine statistische Auswertung über Versuche bei unterschiedlichen Temperaturhüben kann man durch eine Weibull-Analyse auf die Ausfallwahrscheinlichkeit des Bauelements zurückschließen. Für einen Temperaturhub von 90 K ergibt sich für die Diode bei einer Ausfallwahrscheinlichkeit von 63,2% eine Zyklenanzahl von 32.438 Zyklen. Bei 100 K Temperaturhub ergibt sich bei gleicher Ausfallwahrscheinlichkeit eine Zyklenanzahl von 54.329. Bei 60.000 Zyklen und einer Zykluszeit von 8 s ergibt sich eine Laufzeit des Versuchs von 6 Tagen.

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