Lebensdauermodellierung diskreter Leistungselektronikbauelemente unter Berücksichtigung überlagerter Lastwechseltests

Autor: Otto, Alexander
Jazyk: němčina
Rok vydání: 2019
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Druh dokumentu: Text<br />Doctoral Thesis
Popis: Lastwechseltests stellen eine standardisierte und etablierte Methode zur Zuverlässigkeitsbewertung und Produktqualifizierung in der Leistungselektronik dar. Sie basieren auf der Applikation von wiederkehrenden Laststromimpulsen, welche im Leistungsbauelement in zyklischen Temperaturschwankungen umgesetzt werden. Die dabei induzierten thermo-mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der im Verbundsystem beteiligten Fügepartner, führen letztendlich zu den typischen Versagensmechanismen in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Herkömmliche Lastwechseltests bilden allerdings die komplexen Belastungssituationen unter Feldbedingungen, in welchen unterschiedliche Lastfaktoren simultan auftreten, nur ungenügend nach. Im Kontext der Einführung neuartiger Bauelement- und Package-Technologien, rauer werdenden Umgebungsbedingungen sowie steigenden Zuverlässigkeits- und funktionalen Sicherheitsanforderungen ergibt sich somit der Bedarf an verbesserten Methoden zur Zuverlässigkeitstestbewertung. Ein möglicher Ansatz besteht in der Kombination verschiedener Belastungsarten, mit dem Ziel, Testeffizienz sowie Testabdeckung zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher unter Verwendung eines selbstentwickelten Lastwechselteststandes systematische Lastwechseltestuntersuchungen, sowohl in standardmäßiger Ausführung als auch mit überlagerten passiven Temperaturzyklen, an diskreten Leistungsbauelementen durchgeführt. Neben der Untersuchung unterschiedlicher Sperrschichttemperaturprofile erfolgte auch ein Vergleich unterschiedlicher Bauelementtypen. Auf Basis einer qualitativen und quantitativen Testauswertung wurden belastungsbasierte Lebensdauermodelle aufgestellt. Dabei zeigte sich, dass die den Standard-Lastwechseltests zugrunde-liegenden Lebensdauermodelle nicht die Testergebnisse der überlagerten Lastwechseltests vorhersagen konnten. Die Ursache dafür lag im temperaturabhängigen Werkstoffverhalten der Moldmasse begründet, welches Einfluss auf den dominierenden Fehlermodus Bonddrahtabheber hat. Daher wird die Verwendung von fall-sensitiven Lebensdauermodellen vorgeschlagen, da somit die veränderte Schädigungsphysik beim Überschreiten des Glasüberganges der Moldmasse berücksichtigt werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit eine neue Methode zur optischen in-situ-Untersuchung von Leistungsbauelementen vorgestellt, welche zukünftig die Untersuchung von thermisch-transienten sowie thermo-mechanischen Vorgängen unter aktiver Belastung erlaubt.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis
Active power cycling tests represent a standardized and well-established method for reliability evaluation and product qualification in power electronics. They are based on the application of recurring load current pulses, which are converted into cyclic temperature swings in the power component. The thereby induced thermo-mechanical stress, caused by the different material properties of the joining partners involved in the composite system, ultimately leads to the typical failure modes and mechanisms in the devices. However, these conventional tests do not sufficiently stimulate the complex load schemes in field operations in which different load factors occur simultaneously. In the context of the introduction of novel device and package technologies, increasingly harsh environmental operation conditions as well as increasing reliability and functional safety requirements, there is a need for improved reliability test methods. One possible approach is the combination of different load factors in order to increase test efficiency and test coverage. Within the scope of this thesis, systematic reliability investigations, including standard power cycling tests as well as power cycling tests superimposed with passive thermal cycles, were therefore carried out on discrete power components using a self-developed test rig. In addition to the investigation of different junction temperature profiles, a comparison of different component types was performed. On the basis of a qualitative and quantitative test evaluation, load-based lifetime models were derived. It was found that the lifetime models determined on the basis of the standard power cycling tests could not predict the test results of the superimposed power cycling tests. The reason for this was the influence of the temperature-dependent material behaviour of the moulding com-pound, which has an influence on the failure mode wire-bond lift-off. Based on these findings, the use of case-sensitive lifetime models is suggested that are able to take the changed damage physics into account. In addition, a new method for the optical in-situ investigation of moulded power devices is presented, which allows the investigation of thermal-transient as well as thermo-mechanical processes in the package under active loading conditions.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis
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