Weiterentwicklung der transienten thermischen Analysen für Leistungs-Halbleiter
Schmid, Maximilian
Die stark wachsenden Märkte der Leistungs- und Optoelektronik sind von Innovationen und Verbesserungen geprägt. Darunter fallen u.a. die Einführung der Wide-Bandgap Halbleiter GaN und SiC, die Einführung neuer Interconnects wie Silber- und Kupfersinterverbindungen sowie die konsequente Optimierung und Miniaturisierung, um Material einzusparen. Durch die Weiterentwicklungen rückt eine hochwertige und zuverlässige Abführung der Verlustleistung immer mehr in den Fokus. Eine inadäquate Wärmeabführung resultiert in höheren Arbeitstemperaturen für die Transistoren, Dioden und/oder LEDs und somit in kürzeren Lebenszeiten und einem schlechteren Wirkungsgrad. Gründe für eine schlechtere Wärmeabführung können Produktionsfehler und altersbedingte Schädigungen sein. Deshalb ist die thermische Qualifizierung sowohl in der Produktionslinie als auch in der Entwicklung und Qualitätssicherung essenziell.
Als Standardprüfverfahren zur Erkennung von Voids und nicht-benetzten Bereichen in Lötstellen hat sich X-Ray etabliert. Für die Inspektion von Rissen in Lötstellen, Sinterverbindungen und organischen Materialien, wie Klebeverbindungen und TIMs, ist X-Ray allerdings ungeeignet. Als Alternativverfahren ermöglicht Scanning Acoustic Microscopy (SAM) auch die Detektion von Rissen in Lötstellen sowie die Untersuchung von Sinterverbindungen und organischen Materialien. Dazu muss das Messobjekt jedoch in Wasser gelegt werden und es bestehen starke Einschränkungen in Bezug auf die Geometrie des Messobjekts. Ein drittes Prüfverfahren zur thermischen Qualifizierung ist die transiente thermische Analyse (TTA), die im Fokus dieser Arbeit steht. Im Gegensatz zu X-Ray und SAM ist die TTA kein bildgebendes Verfahren. Stattdessen werden die tatsächlichen thermischen Eigenschaften des thermischen Pfads vom Halbleiter bis zum Kühlkörper bewertet, unabhängig von Materialart und Geometrie.
Im ersten Teil der Arbeit werden diese drei Verfahren anhand typischer Fehlerbilder, der benötigten Messzeit und dem Grad der Automatisierung verglichen. Die TTA bietet in Bezug auf die Fehlererkennung das größte Potenzial, ist aber durch die längere Messzeit und die fehlende Automatisierung eingeschränkt. Deshalb werden im zweiten Teil der Arbeit Verbesserungen in der TTA vorgestellt, um diese Schwächen auszugleichen. Zur Verkürzung der Messzeit wurde der Deterministische Puls Algorithmus (DPA) entwickelt und patentiert. Über die Rückrechnung basierend auf dem Superpositionsprinzip ermöglicht es der DPA bei gleichbleibender Signalqualität die Messzeit um bis zu 95,6% zu verkürzen. Um eine flexible Kontaktierung der Bauteile über Federkontaktstifte zu ermöglichen, wurde eine neue Heiz/Mess-Quelle für Transistoren konzipiert und ein Prototyp aufgebaut. Durch das Heizen und Messen im Sättigungsbereich bzw. im aktiven Bereich kann der Heiz-Strom signifikant reduziert werden und die Temperaturempfindlichkeit, und somit die Signalqualität, erhöht werden. Basierend auf dem DPA und neuer der Heiz/Mess-Quelle wurden zwei automatisierte TTA-Messstände entwickelt, der eine für Messungen im Labor, der andere für die Produktionslinie. Durch die Verbesserungen kann das Potenzial der TTA besser genutzt werden.
The growing power- and optoelectronics markets are driven by innovations and continuous improvements. Amongst others, the introduction of the wide-bandgap semiconductor materials GaN and SiC, the introduction of new interconnect technologies like silver and copper sintering and the optimization and miniaturization, to save material, are especially noteworthy. Due to these improvements, a valuable and reliable heat dissipation is becoming inevitable. Inadequate heat dissipation results in an increase in temperature for the transistors, diodes and/or LEDs and thus a reduced lifetime and a smaller efficiency. Production errors or age-related degradations can be responsible for inadequate heat dissipation. Therefore, a thermal qualification is essential for production, development and quality assurance.
The most established measurement method to detect voids and non-wetted regions for solder interconnects is X-Ray. However, X-Ray is not suitable for inspecting of solder cracks, sintered interconnects and organic materials, like adhesives and TIMs. Alternatively scanning acoustic microscopy (SAM) can detect cracks and inspect sintered interconnects as well as organic materials. Admittedly it is required to place the device under test (DUT) in water for SAM and there are limits regarding the geometry of the DUT. The focus of this work will be the third measurement method for thermal qualification, the transient thermal analysis (TTA). Compared to X-Ray and SAM, TTA is not an imaging measurement method. Instead, the thermal properties of the thermal path form semiconductor to heat sink are evaluated, independent of material and geometry.
The first part of this work compares the three measurement methods by means of typical failure modes in the DUT, required measurement time and level of automatization. Regarding the failure modes, the TTA shows the highest potential but is limited through long measurement times and the lack of automatized equipment. For this reason, this thesis aims to compensate these disadvantages. To reduce measurement time the deterministic pulse algorithm (DPA) was developed and patented. Based on the superposition principle the DPA is able to reduce the measurement time by 95,6% at same signal quality. For flexible electrical contacting of the DUT with spring probes, a new heat/meas-source for transistors was designed and a prototype manufactured. Through heating and sensing in the saturation region resp. the active region, the heating current is reduced significantly while the signal quality is increased due to a higher temperature sensitivity. Based on the DPA and the new heat/meas-source two units of automatized TTA equipment were manufactured. One for measurements in laboratory level, one for InLine integration. Through these improvements the potential of the TTA is useable more easily.
