Untersuchungen zur Lastwechselfestigkeit von Halbleiteranbindungen unter Hochtemperaturbelastung

Please always quote using this URN: urn:nbn:de:bvb:29-opus4-124772
  • In der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Halbleiteranbindungsmaterialien von Leistungsmodulen bei Kühlmitteltemperaturen bis zu 120 °C charakterisiert. Der Fokus liegt dabei auf der thermomechanischen Ermüdung von Hochtemperatur-Verbindungstechniken bei aktiven Lastwechseltests. Durch einen Temperaturhub von 130 K werden somit maximale Sperrschichttemperaturen von 250 °C erreicht. Pro Durchlauf werden 20 Prüflinge verwendet, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen. Für die Tests wird ein vereinfachter Aufbau bestehend aus SiC-Dioden, Halbleiteranbindung und DCB-Substrat gewählt. 125 µm Aluminium-Bonddrähte dienen zur oberseitigen Chipanbindung. Als Die-Bond-Material wirdIn der vorliegenden Arbeit werden verschiedene Halbleiteranbindungsmaterialien von Leistungsmodulen bei Kühlmitteltemperaturen bis zu 120 °C charakterisiert. Der Fokus liegt dabei auf der thermomechanischen Ermüdung von Hochtemperatur-Verbindungstechniken bei aktiven Lastwechseltests. Durch einen Temperaturhub von 130 K werden somit maximale Sperrschichttemperaturen von 250 °C erreicht. Pro Durchlauf werden 20 Prüflinge verwendet, um statistisch signifikante Ergebnisse zu erzielen. Für die Tests wird ein vereinfachter Aufbau bestehend aus SiC-Dioden, Halbleiteranbindung und DCB-Substrat gewählt. 125 µm Aluminium-Bonddrähte dienen zur oberseitigen Chipanbindung. Als Die-Bond-Material wird einerseits die Niedertemperatur-Verbindungstechnik mit Silberpasten gewählt. Andererseits kommen mit Au88Ge12, Pb95Sn5 und dem SAC305 drei Lotlegierungen zum Einsatz. Das Zinn-Kupferlot dient dabei als Referenz, da für dieses Lot viele Vergleichsdaten vorliegen. Um weitere Vergleichsdaten zu sammeln, wird in dieser Arbeit ein Überblick über aktive Lastwechseltestergebnisse der letzten 20 Jahre gegeben und hochtemperatur-relevante Versuchsreihen gesondert betrachtet. Weiterhin wird das Prüfverfahren Power-Cycling mit dem aktuellen Stand der Normung genauer beleuchtet und die per Flussspannungsmethode gemessene Temperatur verifiziert. Die Lastwechselergebnisse dieser Arbeit zeigen eine Zunahme der Zyklenzahlen durch die Erhöhung der Kühlmitteltemperatur. Dies ist nach Stand der Technik bislang unbekannt. Empirische Lebensdauermodelle für Leistungsmodule können den gefundenen Zusammenhang nicht darstellen. Erklärbar ist dies anhand der physikalischen Modellierung mit temperaturabhängigen Werkstoffkennwerten. Dabei werden ein strukturanalytisches Modell sowie die Finite-Elemente-Methode verwendet. Zur Darstellung des plastischen Materialverhaltens wird das Zähigkeitsmodul für jede Halbleiteranbindung herangezogen. Speziell der analytische Ansatz ermöglich es Designempfehlung für die Auslegung eines Leistungsmoduls ohne umfangreichen Rechenaufwand geben zu können. Dabei werden sowohl die Geometrien der einzelnen Schichten als auch deren Materialkennwerte berücksichtigt. Sowohl der analytische Ansatz als auch die FEM bestätigen die Ergebnisse der aktiven Lastwechsel. Mit höherer Temperatur resultieren geringere thermo-mechanische Spannungen im Aufbau und die Halbleiteranbindungsmaterialien werden deutlich duktiler. Die Ergebnisse dieser Arbeit können für die Lebensdauermodellierung und Auslegung von Hochtemperaturanwendungen verwendet werden. Aus Packaging-Sicht sind höhere maximale Junction-Temperaturen der Halbleiter möglich, es kann Kühlaufwand eingespart und die Leistungsdichte erhöht werden.show moreshow less
  • The present thesis concerns the performance of different die-attach materials for power modules at elevated coolant temperatures up to 120 °C for hybrid electric vehicle applications. The primary focus is on the thermomechanical fatigue of high-temperature packaging technologies at active power cycling tests. With a temperature swing of 130 K, there is a maximum junction temperature of 250 °C. By using 20 samples per run, statistically significant results can be achieved. Simplified test vehicles were selected for power cycling. They comprise of SiC diodes, the die-attach, and a DBC substrate. The topside is connected by aluminum wire bonds with a diameter of 125 µm. For the die-attach, theThe present thesis concerns the performance of different die-attach materials for power modules at elevated coolant temperatures up to 120 °C for hybrid electric vehicle applications. The primary focus is on the thermomechanical fatigue of high-temperature packaging technologies at active power cycling tests. With a temperature swing of 130 K, there is a maximum junction temperature of 250 °C. By using 20 samples per run, statistically significant results can be achieved. Simplified test vehicles were selected for power cycling. They comprise of SiC diodes, the die-attach, and a DBC substrate. The topside is connected by aluminum wire bonds with a diameter of 125 µm. For the die-attach, the silver sintering technique is used, as well as Au88Ge12, Pb95Sn5, and SAC305 solder alloys. From the available literature, tin solder is considered a reference. Further reference data was obtained through a survey to create an overview of findings over the last 20 years. In addition, high-temperature results are discussed. Moreover, the power cycling test procedure is analyzed and all available standards reviewed, with special focus on forward-voltage temperature measurement. Power cycling results show higher cycles at increased cooling temperatures. According to state-of-the-art research, this was previously unknown. Tests of the three different empirical lifetime models of power modules showed that material behavior could not be explained by empirical approaches. Therefore, a physical model with temperature-dependent material properties was used as well as the finite element method. To implement plastic material behavior, the toughness modulus of each die-attach material represents a potential solution. In particular, the structure-analytical concept enables fast design recommendations with low computing resources. Thereby, the dimensioning of the power module in terms of maximum temperature swing can be performed. The model considers the geometry of the assembly and the material properties of each layer. Both the physical model and FEM confirmed the observed power cycling results due to decreasing thermo-mechanical stress at elevated temperatures as well as increased ductility of the die-attach materials. This new finding can be used for lifetime modeling and system design of elevated temperature applications. Furthermore, it enables a higher maximum junction temperature of the semiconductor devices, less cooling effort, and increased power density from a packaging perspective.show moreshow less

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Metadaten
Author:Aaron Hutzler
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-124772
Referee:Martin März
Advisor:Martin März
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2019
Embargo Date:2019/11/27
Publishing Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU)
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2019/09/23
Release Date:2019/12/02
Tag:Active Power Cycling; Aktive Lastwechseltests; Aufbau- und Verbindungstechnik; Halbleiteranbindung; Hochtemperaturfestigkeit; Lebensdauertests; Leistungselektronik; Silbersintern; Weichlöten
Pagenumber:154
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:6 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / 62 Ingenieurwissenschaften / 620 Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
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Licence (German):Creative Commons - CC BY - Namensnennung 4.0 International