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© Fraunhofer IISB
Elektronische Baugruppen und Leiterplatten EBL 2014
Modellierung von Ermüdungsausfällen durch aktive Lastwechseltests
Aaron Hutzler Adam Tokarski Andreas Schletz Fraunhofer IISB Landgrabenstr. 94 90443 Nürnberg
11.-12. Februar 2014
Aaron Hutzler
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Motivation für aktive Lastwechseltests
Testplanung
Konzept aktiver Lastwechseltests
Durchgeführte Tests
Testergebnisse
Zusammenfassung und Ausblick
Gliederung
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Fraunhofer IISB Erlangen-Nürnberg
Mechatronic Systems
Analysis of Failure
Mechanisms
Accelerated Aging
Joining Technologies
Device Technologies
Lifetime Modeling
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Motivation
Anforderungen zukünftiger Baugruppen*
Hohe Schaltströme
Höchste Schaltfrequenzen
Steigende Betriebstemperaturen
Hohe Zuverlässigkeit
Hohe Langzeitstabilität
Schlussfolgerung: Tests notwendig
*Quelle: EBL Programmflyer
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Testplanung: Welche Erkenntnisse soll der Test bringen?
Lebensdauer-Test
Technologie-Vergleich
Robustheits-
test
Anwendungs-naher Test
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Aktive Lastwechseltests
Temperaturwechsel während der Anwendung
Eigenerwärmung durch Halbleiter-Verluste
Aufheizen mit Strom
Entwärmen mit Kühler
Zeit
Strom an
Strom aus
1 Lastwechsel
Tem
pera
tur
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Aktive Lastwechseltests
6 unabhängige Teststände
Energie-Einspeisung
Heizquelle
400A / 35V
800A / 15V
2000A / 20V
PC + Datenerfassung
Kammer für bis zu 20 Prüflingen
Temperiergeräte
-60..+350°C
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Aktive Lastwechsel: Testaufbau
Kühlmittel Kühler
Wärmeleitpaste/Folie
TO-Bauteil Lotschicht
Federn
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Durchgeführte Tests Technologie-Vergleich
Bauteile zweier Hersteller
4mm2 Chipfläche
IGBT 600V/10A
Heizstrom = 5A
Heizleistung: 12 W
ΔT = 120K
40 Proben
Lebensdauermodellierung
Ein Bauteil bei mehreren ΔT
30mm2 Chipfläche
MOSFET 30V/200A
Heizstrom = 80A / 93A
Heizleistung: 130 W / 180 W
ΔT = 80K / 120K
40 Proben
10000
100000
80 90 100 110 120
La
stw
ec
hse
lzyk
len
Temperaturhub ∆T [K]
Aaron Hutzler
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Durchgeführte Tests
Kühlmitteltemperatur Tmin: 40°C
Temperaturhub ΔT: 120 K (Tmax – Tmin)
Maximale Bauteiltemperatur Tmax: 160°C
Zykluszeit ton/toff: 15s
time
Strom an Strom aus
ton toff
Tmax
Tmin
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0
5.000
10.000
15.000
20.000
B A
La
stw
ech
sel
bis
zu
m A
usf
all
Bauteil Hersteller
Power Cycling: Ergebnisse Technologie-Vergleich
1. Ausfall
Letzter Ausfall
Median
Aaron Hutzler
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Technologie-Vergleich
Ausfallursache: bond wire lift off
Keine Lotschicht-Beschädigung
Kein Anstieg des therm. Widerstands
Anstieg der Heizspannung
8
10
12
14
16
18
20
1,2
1,4
1,6
1,8
2,0
2,2
2,4
0 5000 10000
Th
erm
isch
er
Wid
ers
tan
d [
K/W
]
He
izsp
an
nu
ng
U
[V]
Lastwechselzyklen
Heizen U in V
Rth ges. in K/W
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Ergebnisse Technologie-Vergleich
Aaron Hutzler
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0
10000
20000
30000
40000
50000
60000
80 120
La
stw
ech
sel
bis
zu
m A
usf
all
Bauteil Hersteller
Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung
1. Ausfall
Letzter Ausfall
Median
Aaron Hutzler
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Power Cycling: Ergebnisse
Ausfallursache: Lotschicht versagen
Keine Bonddraht-Abheber
Anstieg des thermischen Widerstands
Konstante Heizspannung
10
12
14
16
18
20
80
100
120
140
160
0 10000 20000Lastwechselzyklen
Th
erm
isch
er
Wid
ers
tan
d
[K/W
]
Tem
pe
ratu
r [°
C]
dT
Rth ges. in K/W
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Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung
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Power Cycling: Ergebnisse Lebensdauermodellierung Statistische Auswertung der Lastwechsel-Daten (Weibull)
Verwendung einer Ausfallwahrscheinlichkeit (z.B. 5%)
Potenz-Gesetz: Nf = c1 * dTc2
y = 7E+07x-1,828
10000
100000
40 60 80 100 120 140
La
stw
ech
selz
yk
len
Temperaturhub ∆T [K]
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Problem: Wechselwirkungen
Lotschichtversagen führt zu Temperaturerhöhung des Chips
Stress auf Bonddrähte steigt
Bonddrähte lösen sich vom Halbleiter
Höhere Strombelastung der übrigen Bonddrähte
Temperatur der übrigen Drähte steigt
Folge: Extremer Temperaturanstieg
Ausfall-Analyse
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Schädigungseffekt
Welchen Effekt hat ein Fehler?
Kurzschluss, Leerlauf, Erwärmung, usw.
Ausfallursache
Was löst den Fehler aus? (Umwelt / Design)
Bonddrähte, Lotschicht, Kühlung, usw.
Schädigungsmechanismus
Welcher Prozess liegt zu Grunde?
Risswachstum, Migration, Korrosion, usw.
Modellierung
Mathematisches/Statistisches Modell
Arrhenius, Coffin-Manson, usw.
Physics of Failure Methode
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Zusammenfassung
Trend zum Hochstrom/ Hochintegration
Eigenerwärmung der Bauteile führt zu Verschleißausfällen
Lastwechseltests können deren Einfluss aufdecken
Einfluss auf Bonddrähte, Lotschichten
Einfluss auf weitere Bauteile
Wechselwirkungen innerhalb des Packages und mit anderen Bauteilen
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Neue Technologien
Kupfer-Dick-Drahtbonden
Silber-Sintern (drucklos)
Bändchen-Sintern
Hohe Betriebstemperaturen
Hohe Zuverlässigkeit
Hohe Langzeitstabilität
Aber: Tests notwendig
Ausblick
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1) Wir helfen, die richtigen Fragen zu stellen
2) Aktive und passive Lastwechseltests, Vibrationstests, Heißlagerung, usw.
3) Lock-in Thermographie, Focused Ion Beam, Rasterelektronenmikroskopie
4) Entwicklung neuer Technologien wie z.B. Silber-Sintern
Define Measure Analyze Design Verify
Lastwechseltests: Einbindung in (Design for) Six Sigma
Innovationsziele definieren1
Daten erfassen und auswerten2
Haupteinflüsse identifizieren3
Lösungen entwickeln4
Produkte erproben2
Wir begleiten Sie durch den gesamten Six-Sigma Prozess.
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Von Hochstrom bis Hochintegration: Zuverlässigkeitstest benötigt!
Aaron Hutzler
[email protected] Fraunhofer Institute for Integrated Systems and Device Technology IISB Landgrabenstraße 94 ● 90443 Nuremberg ● Phone +49-911-23568-25
www.iisb.fraunhofer.de