Neue Methoden zur beschleunigten Validierung der Lebensdauer von höchst zuverlässigen Leistungshalbleitermodulen

Die vorliegende Arbeit behandelt die Konzeption, die experimentelle Untersuchung und die Bewertung von neuen Methoden zur beschleunigten Validierung der Lebensdauer von höchst zuverlässigen Leistungshalbleitermodulen. Die Datenbasis der Arbeit stützt auf der Identifikation der Belastung, der Bestimmung der Lastwechselfestigkeit und der Analyse der Fehlermechanismen. Zur Zielerreichung der beschleunigten Validierung werden verschiedene Messtechniken in situ eingesetzt und die Lebensdauerermittlung durch die Ausnutzung des Temperaturhubs sehr stark beschleunigt. Auf Grundlage der ermittelten Datenbasis wurden Lebensdauermodelle nach empirischen und physikalischen Ansätzen erstellt.

Bei den untersuchten Versuchsträgern handelt es sich hinsichtlich der chipnahen Aufbau- und Verbindungstechnik um eine der zuverlässigsten Technologien, die zum Zeitpunkt der Untersuchungen verfügbar sind. Anhand umfassender zerstörender Fehleranalysen und In-situ-Messungen konnte der Schädigungsmechanismus in der Chipmetallisierung lokalisiert werden. Unter sehr hohen Testbeschleunigungen wurde keine Veränderung Fehlermechanismus festgestellt. Somit konnten Bedenken hinsichtlich einer Veränderung des Fehlermechanismus ausgeräumt werden. Durch die Validierung kann die Testzeit drastisch reduziert werden.

Die Erfassung der Degradation wird durch Messmethoden unterstützt, die bereits während der Lebensdauererprobung zum Einsatz kommen. Unter diesen befindet sich die Lock-In-Thermographie. Die Untersuchungen mit dieser Methode zeigen ein gutes Auflösungsvermögen der Degradationen. Infolgedessen konnte das Risswachstum modelliert werden. Unter Hinzunahme von Berechnungen mit der Finite-Elemente-Methode konnten lokale Spannungs-Dehnungs-Hystereseschleifen simuliert werden. Nach dem Physics-of-Failure-Ansatz wurden anschließend schadensrelevante Parameter identifiziert und in Korrelation zu den ermittelten Ausfalldaten gesetzt.