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Lebensdaueruntersuchung Power-Cycle-Tests mit detaillierter Analyse

| Autor / Redakteur: Peter Fink * / Gerd Kucera

Die Analyse von Lastwechseltests und Ausfallmechanismen sowie das Abschätzen der Lebensdauer sind Inhalt dieses Artikels. Er zeigt die praktische Anwendung der thermischen Transienten-Messung.

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Bild 1: Durchwärmen des Prüflings
Bild 1: Durchwärmen des Prüflings
(Bild: ZFW)

Das Zentrum für Wärmemanagement Stuttgart (ZFW) ist ein in Deutschland führendes Institut im Bereich des Wärmemanagements elektronischer Systeme. Die Ingenieure und Wissenschaftler des ZFW entwickeln neue Technologien rund um die Elektronik-Hardware. Ein Schwerpunkt bildet dabei die thermische Optimierung. Dazu stehen in den Laboren des ZFW in Stuttgart eine Vielzahl von Mess– und Berechnungsmethoden zur Verfügung. Jährlich bearbeitet das ZFW weit über 100 industrienahe, praxisorientierte Projekte. Dazu gehören auch die beschriebenen Lebensdaueruntersuchungen an Leistungsbauelementen mit ihren thermischen Interface Materialien.

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Qualitätsstandards von Halbleiter- und Leistungsmodul-Herstellern orientieren sich an internationalen Vorgaben, die in fast allen Schlüsselpunkten identisch sind. Generelle Ziele und Strategien dieser Standards kann man grob in drei Kategorien einteilen: Nachweis einer zeitlich elektrischen Stabilität und Einhaltung der Datenblattvorgaben mit dem Heißsperrdauertest, dem Hochtemperaturtest (Gate-Stresstest) und der Feuchte-Wärmelagerung unter Spannung.

Diese Untersuchungen sind hoch selektive, unverzichtbare Basis-Stresstests mit dem Fokus, die Stabilität der Halbleiterherstellprozesse und Packaging-Assembly-Prozesse (AVT-Aufbauverbindungstechnik) nachzuweisen. Als Prüfparameter dienen die elektrische Stabilität und das Sperrschichtverhalten bzw. die Restströme der eingesetzten Halbleitertechnologie. Eine Aussage über die thermische Stabilität der gesamten AVT ist an dieser Stelle nur zweitrangig.

Der Nachweis der physikalischen und thermischen Stabilität des Gesamtaufbaus erfolgt mit dem Temperatur-Schocktest, Temperatur-Wechseltest (über externes Erwärmen und Kühlen) und dem Lastwechseltest (über internes Erwärmen und externes Kühlen). Dabei bildet der aktive Lastwechseltest, bei dem der Chip intern durch seine eigene Verlustleistung erwärmt und extern gekühlt wird, die realen Einsatzbedingungen am genauesten ab.

Eine Aussage über die notwendige, spätere Weiterverarbeitbarkeit der Module geben Tests zur Temperaturbeständigkeit des Gehäuses, Lötbarkeit und Vibration.

Standardisierte Qualitätsnachweise der Leistungsmodule beim Hersteller zielen auf die „typische“ Applikation ab. Allerdings ist dieses Vorgehen fraglich: Speziell in der Leistungselektronik gibt es eine hohe Vielfalt an Applikationen und Belastungsprofilen. Eine typische Applikation, die diese Vielfalt abbildet, ist kaum zu finden.

Applikationsabhängig entstehen im Chip Temperaturgradienten und Spannungsbelastungen mit signifikantem Einfluss auf die Lebensdauer des Bauteils. Kurze Zykluszeiten begrenzen ein Durchwärmen des Packages auf den Chip selbst oder Bereiche in der Nähe des Chips. Bereiche in größerer Entfernung vom Chip erfahren nur eine geringe Belastung durch Temperaturgradienten. Bei langen Zykluszeiten hingegen durchwärmt sich der gesamte Aufbau. Zonen, die bei kurzen Zykluszeiten nur einen geringen Temperaturhub erfahren haben, werden stärker erwärmt und auf Grund des CTE-Mismatch durch mechanische Spannungen belastet (Bild 1).

Ein allgemeiner Zuverlässigkeitsnachweis ist daher nur eingeschränkt auf eine bestimmte Applikation übertragbar. Gerade unter den Gesichtspunkten, dass ein Leistungsmodul teilweise hohe Lebensdaueranforderungen (>30 Jahre) haben kann, kombiniert mit strikten, hohen sicherheitsrelevanten Anforderungen, ist ein auf die Applikation zugeschnittener Zuverlässigkeitsnachweis unerlässlich.

Die Thermal Transientenmethode bietet als zerstörungsfreie Messmethode die Möglichkeit eine AVT-Struktur thermisch jederzeit komplett im Detail zu charakterisieren. Alle realen, thermisch relevanten Schichten im direkten thermischen z-Pfad können ausgelesen und bewertet werden, beginnend bei der Sperrschicht, über den Chip, die Lötung, bis hin zur Wärmesenke. Diese kann beispielsweise eine Coolplate oder ein Kühlkörper sein.

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