Power-Cycle-Tests mit detaillierter Analyse

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Die vier Schritte des Messvorgangs

Der Messvorgang selbst besteht aus vier Schritten. Erster Schritt: Wahl und Anpassung der Messschaltung für den jeweiligen Halbleitertyp (Diode, IGBT, MOSFET, z.B. bei Dioden R_DS(on), Saturation Mode). Zweiter Schritt: Kalibrierung des Halbleiters, ermitteln der Sensitivität in mV/K bei einem definierten Messstrom und Temperaturbereich für den gewählten Messmodus. Dritter Schritt: Eigentliche Thermal-Transientenmessung des Gesamtaufbaus, dazu Aufnahme der Abkühlkurve nach JEDEC 51-14 mit definiertem Messstrom nach vorigem, definiertem Power-Step zur Aufheizung der Anordnung. Die Sperrschicht des Prüflings wird hier als Heizquelle und gleichzeitig als Temperatursensor verwendet. Eine hohe zeitliche Auflösung der Messkurve bis in den Mikrosekundenbereich liefert Informationen über die feinen Strukturen im Inneren des Bauteils.

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Die gemessene Spannungskurve im Messmodus ergibt bei Division durch die Sensitivität den hochaufgelösten, zeitlichen Temperaturverlauf der Halbleitersperrschicht zwischen den beiden stationären Zuständen On und Off. Halbleiterstrukturen, wie beispielsweise SiC (Siliziumkarbid) haben nichtlineare Temperaturabhängigkeiten, was bei der Berechnung der Temperatur-kurve unbedingt berücksichtigt werden muss.

Vierter Schritt: Auswertung der Messkurve und Umrechnung in die kumulativen Strukturfunktion. Das in der Z_th-Messkurve im Foster-Modell komplett abgebildete thermische System wird mit Hilfe einer mathematischen Transformation in das kanonische Cauer-Modell überführt. Die kumulative Strukturfunktion repräsentiert auf der y-Achse die Summe aller Wärmekapazitäten und die Summe aller thermischen Widerstände auf der x-Achse (Bild 2).

Die Interpretation und Auswertung der Strukturfunktionen neuer, unbekannten AVT- Strukturen erfordert zu Beginn einmalige, zusätzliche Arbeiten. Aus dem typischen treppenförmigen Verlauf der kumulativen Strukturfunktion müssen den einzelnen physikalischen Schichten ihre Wärmekapazität und ihr thermischer Widerstand zugeordnet werden. Die Verifikation geschieht hierbei über Hilfsmittel wie Fixpunkte, bekannte Materialien und die Geometrie sowie zeitliche Zusammenhänge. Die Norm JEDEC 51-14 beschreibt eine zweite Messung, mit einer bewusst eingebrachten, bekannten thermischen Störung. Damit lässt sich im Wärmepfad ein eindeutiger Fixpunkt in einer unbekannten Strukturfunktion generieren (Bild 3).

Wird das thermische Transientenverfahren mit dem Lastwechseltest kombiniert, ergeben sich daraus neue, interessante Möglichkeiten der Fehleranalyse. Dazu werden alle thermischen Schichten eines Aufbaus während eines Lastwechseltests zu Zeitpunkten wie 50, 100, 500 oder 1.000.000 Zyklen detailliert charakterisiert und mit ihrem Neuzustand verglichen. Eine Degradation der thermischen Widerstände im direkten z-Pfad zwischen Chip und Coolplate ist bis zu einer Auflösung von 0,01 K/W darstellbar.

Rissbildung während der Lastwechseltests im z-Pfad im Bereich der Chip-Lötung, der Substrat-Lötung oder sonstiger TIM-Übergänge zum Kühlkörper sind durch die thermische Transientenmessung direkt zu erkennen. Das gleiche gilt beispielsweise für den Übergang von Kupferlagen zu Keramik-Trägern. Die Degradation einer in der Strukturfunktion bekannten thermischen Schicht wird über den zeitlichen Verlauf durch übereinanderlegen von Kurven zu unterschiedlichen Zeitpunkten sichtbar und bewertbar.

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