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Beschleunigter Ablauf des Tests

Tritt in der Applikation ein Temperaturhub von nur 80 K bei einer prognostizierten Lebensdauer von 1.000.000 Zyklen auf, ergibt sich eine geschätzte Laufzeit des Tests von 92 Tagen. Um die Versuche auf eine praktikable Zeit zu verkürzen, werden beschleunigende Versuchsbedingungen definiert. D.h., dass statt einem Temperaturhub von 80 K ein höherer Temperaturhub gewählt und dann bis zum Einsatzbereich interpoliert wird.

Hierbei ist zu beachten, dass die Beschleunigung der Tests nur in bestimmten Grenzen möglich ist. Versagt in der Applikation eine Lotschicht durch Kriechen bei 50 K Temperaturhub, fällt im beschleunigten Versuch bei 100 K vielleicht eher der Bonddraht aus. Die Beschleunigung der Messung ist also durch die Einhaltung des Ausfallmechanismus begrenzt. Hier wird die numerische Simulation zu einem wichtigen Werkzeug. Wo früher nur thermische Simulationen eingesetzt wurden, um die Lebensdauer anhand der thermischen Belastung der Bauteile abzuschätzen, werden heute mehrere Simulationssubsysteme elektrisch, thermisch und mechanisch miteinander gekoppelt (Bild 3).

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Durch die Kopplung ist es möglich, komplizierte Wechselwirkungen innerhalb eines Bauteils zu berücksichtigen. Durch die Erwärmung ändern sich beispielsweise der elektrische Widerstand und die Festigkeitskennwerte der eingesetzten Werkstoffe. Da bei der Diode im ersten Schritt ein Bonddrahtbruch identifiziert werden konnte, ist es Ziel der multiphysikalischen Simulation die plastischen Dehnungen, die bei den Messungen im Bauteil aufgetreten sind, zu bestimmen.

Da die plastische Dehnung über alle Zyklen konstant ist, muss pro Messreihe nur ein Zyklus berechnet werden. Mit der berechneten plastischen Dehnung für mindestens zwei Temperaturhübe und der aus dem Lastwechseltest in Schritt 1 ermittelten Lebensdauer können für ein Coffin-Manson-Modell die Koeffizienten C1 und C2 berechnet werden (Bild 3). Anschließend liefert eine multiphysikalische Simulation die plastische Dehnung für einen beliebigen Temperaturhub. Anhand des konfigurierten Coffin-Mansons-Modells ist die Lebensdauer der Diode bestimmbar (Bild 4).

Der Vorteil der Simulation ist, dass die Lebensdauer der Bauteile auch für kleine Temperaturhübe schnell prognostiziert werden kann. Ein Lastwechselversuch für einen Temperaturhub von 70 K dauert beispielsweise am Lastwechselprüfstand 175 Tage, im Vergleich dazu dauert die Simulation inklusive Konfiguration der Lebensdauergleichung plus Messung von zwei Kalibierpunkten weniger als zwei Wochen.

Einen weiteren Vorteil der multiphysikalischen Simulation und einer Lebensdauergleichung für plastische Dehnungen zeigt sich bei Variantenstudien. Um z.B. den Einfluss eines weiteren Bonddrahts auf die Lebensdauer zu beschreiben, benötigen man keinen physikalischen Prototyp, sondern muss lediglich das CAD-Modell anpassen. Beispielsweise ist hier der Vergleich zwischen der originalen Diode mit vier Bonddrähten und einer optimierten Diode mit fünf Bonddrähten dargestellt (Bild 5).

Zu beachten ist allerdings, dass die Koeffizienten der Lebensdauergleichung nur einen begrenzten Gültigkeitsbereich haben, da sie keine Materialkennwerte sind.

Weil jedes Kelvin zählt, ist ein analytisches und systematisches Vorgehen entscheidend. Jedoch sind Mess- und Berechnungsmethoden nur sinnvoll nutzbar, wenn die Physik dahinter verstanden wird. Autor Christian Rommelfanger hat langjährige Jahre Erfahrung im Bereich Halbleiter, Electronic Packaging und Leiterplatten. Im ZFW leitet er den Bereich Simulation verantwortet u.a. die Entwicklung und Optimierung von Kühlkonzepten, Charakterisierung thermischer Pfade und Simulationsrechnungen. Rommelfanger begleitet von der ersten Idee bis hin zur Serienreife eines Produkts. Offeriert wird das Wissen z.B. auf Consulting-Basis oder auch als Komplettentwicklung.

Lebensdaueruntersuchung

Thermische Charakterisierung elektronischer Systeme

* B.Eng. Christian Rommelfanger ist Leiter des Bereichs Simulation am Zentrum für Wärmemanagement (ZFW) Stuttgart in Walddorfhäslach.

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