iMaps Mitteilungen 02/2025

Das IMAPS Frühjahrsseminar nicht verpassen!

Das Frühjahrsseminar zum Thema „Zuverlässige Elektronik – made in Europe“ steht vor der Tür. Diesmal trifft sich die deutsche IMAPS-Community am 25. Februar 2025 am Fraunhofer-Institut für Mikrostruktur von Werkstoffen und Systemen IMWS in Halle an der Saale. Seien auch Sie dabei!

Hier ist der Überblick über das Vortragsprogramm:

Andreas Karch (Indium Corporation), Moderne hochzuverlässige Lotpasten System für Anwendungen mit nachhaltig langen Mission Profilen

Kurt Jürgen Lang (ams-Osram), Solderpad design and processing for reliable LED applications

Oliver Albrecht (TU Dresden / IAVT), In-situ Röntgenverfahren zur Charakterisierung von Lötprozessen und thermomechanischen Vorgängen

Bernhard Wunderle (TU Chemnitz), Thermo-Mechanical Reliability for Electronics Packaging

Martin Rittner (Robert Bosch GmbH), Robuste Leistungsmodultechnologien: Herausforderung für die Modulqualifikation

Robert Klengel (Fraunhofer IMWS), Beschleunigte Zuverlässigkeitsbewertung für Bodenplattenmetallisierungen von Power-Modulen

Markus Leicht (Schaeffler), Power-Cycling, Livetime modelling based on separation of microstructural degradation mechanisms and their interrelation with electrical functionality

Stefan Wagner (Fraunhofer IZM), Thermisch und Feuchte getriebene Fehler in der Anwendung von leistungselektronischen Systemen

Christoph Hecht (FAPS), Chipnahe 3D-Funktionalisierung von DCB Substraten für leistungselektronische Anwendungen

Ralph Schacht (BTU), Transiente Systemlevel-Simulation – Modellentwicklung und experimentelle Validierung der Online-Sperrschicht-Temperatur

Johannes Zeh (CiS), Zuverlässigkeit von Sensorsignalen

Jens Müller (TU Ilmenau), LTCC und LTCC Verbundsubstrate für sensorische Anwendungen unter harten Einsatzbedingungen

Die Seite zur Registrierung, genauere Informationen zum Seminar, Details zum Veranstaltungsort finden Sie unter:

www.conftool.net/imaps-fruehjahrsseminar-2025/index.php und https://imaps.de/events/.

Gewinner des Best Presentation Awards

Wir freuen uns, dem Gewinner des „Best Presentation Awards“ der diesjährigen IMAPS-Herbstkonferenz, Dr. Freerik Forndran (Schaeffler AG), die Möglichkeit zu geben, seine Arbeit hier zu präsentieren.

Physics-of-Failure-basierte Lebensdauermodellierung von silbergesinterten Leistungsmodulen für Elektrofahrzeuge durch Experiment und Simulation

Der Paradigmenwechsel in der automobilen Leistungselektronik hin zu Wide-Bandgap-Halbleiterbauelementen wie Siliciumcarbid (SiC) MOSFETs bringt grundlegende Herausforderungen mit sich, insbesondere hinsichtlich der Lebensdauer- und Zuverlässigkeitsbewertungen. Wide-Bandgap-Materialien bieten Vorteile wie höhere Effizienz und Temperaturbeständigkeit, erfordern jedoch auch neue Ansätze in der Aufbau- und Verbindungstechnik (AVT). Es hat sich insbesondere die Verwendung von Anbindungsschichten aus gesintertem Silber (SAG) für die chipnahe AVT als vielversprechend erwiesen. Diese Technologie zeichnet sich insbesondere durch ihre exzellenten elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften, welche hauptsächlich durch die poröse Mikrostruktur bestimmt werden, aus. Der Einsatz neuer Packaging-Lösungen hat allerdings zur Folge, dass die über viele Jahre entwickelten empirischen Lebensdauermodelle für Leistungsmodule nicht mehr geeignet sind. Ein ganzheitlicher Physics-of-Failure-Ansatz kann hier Abhilfe schaffen, da er durch Finite-Elemente-Simulationen eine deutliche Reduzierung der Testzeit ermöglicht. Dieser Ansatz erfordert ein detailliertes Verständnis der relevanten Ausfallmechanismen sowie eine elektrische, thermische und mechanische Charakterisierung der beteiligten Materialien.

Abb. 1: LINKS: Exemplarisches Bild eines AMB Substrats mit vier bestückten SiC MOSFETs und der oberseitigen Anbindung bestehend aus Kupferfolie und Bändchenbonds. RECHTS: Schematische Darstellung des untersuchten Moduls im Querschnitt (nicht maßstabsgetreu)

Ziel dieser Arbeit war es, mithilfe des Physics-of-Failure-Ansatzes ein Lebensdauermodell für ein komplexes Leistungsmodul für Elektrofahrzeuge zu erstellen. Das zu untersuchende Modul ist in Abbildung 1 gezeigt. Es besteht aus einem Keramiksubstrat (hier als AMB substrate bezeichnet), bestehend aus zwei Kupfer- und einer Keramiklage, welches auf einer Kühlstruktur (Cooler) befestigt wird. Auf dem Substrat ist ein Siliciumcarbid (SiC) MOSFET gesintert. Oberseitig ist das Halbleiterbauelement über eine aufgesinterte Kupferfolie und mittels Kupfer-Bändchenbonds (Ribbon) angebunden. Um ein anwendungsrelevantes Degradationsverhalten zu untersuchen, werden die Leistungsmodule durch sogenannte Power-Cycling-Experimente belastet. Hierbei werden die Halbleiterbauelemente periodisch bestromt, und die erzeugten Verluste führen zu einer zyklischen Temperaturerhöhung und somit zu einer thermo-mechanischen Last [1]. In diesen Experimenten zeigte sich insbesondere die oberseitige Sinteranbindung zwischen Halbleiterbauelement und Kupfer-Folie anfällig für Degradation.

Die Identifikation einer Degradation der oberseitigen Anbindungsschicht aus gesintertem Silber als dominierendem Fehlermechanismus bestimmt das weitere Vorgehen im Rahmen des Physics-of-Failure-Ansatzes. Für die folgende realitätsgetreue simulative Beschreibung des Leistungsmoduls und der Degradation ist somit eine detaillierte elektrische, thermische und mechanische Charakterisierung insbesondere des gesinterten Silbers notwendig.

Ein gängiges Verfahren zur Ermittlung mechanischer Materialdaten sind Zugversuche. Bei der Herstellung der Zugproben (dargestellt in Abb. 2a) muss jedoch ein besonderes Augenmerk auf die Mikrostruktur gelegt werden. Diese sollte mit der Mikrostruktur der realen Anbindungsschicht übereinstimmen, da die Porosität einen dominierenden Einfluss auf die Materialeigenschaften hat. Dafür war eine Prozessanpassung notwendig und mittels initialen Schliffuntersuchungen wurde diese Übereinstimmung sichergestellt. Klassische einachsige Zugversuche dienten zur Gewinnung der elasto-plastischen Materialparameter. Außerdem wurde ein Kriechversuch durchgeführt, um das zeitabhängige Verhalten zu untersuchen. Es ist bereits seit einigen Jahren Stand der Technik, dass gesintertes Silber ein ausgeprägtes Kriechen bei Temperaturen kleiner als einer homologen Temperatur von 0.3 zeigt. Dies liegt unter anderem an den auftretenden Spannungsüberhöhungen aufgrund der reduzierten Querschnittsfläche des porösen Materials. Darüber hinaus kann die Zugprobengeometrie für die elektrische und thermische Charakterisierung des gesinterten Silbers verwendet werden. Zur Modellierung der gemessenen elasto-plastischen Daten wurden Literaturmodelle herangezogen. Die Kriechkurven waren durch eine starke Temperatur- und Spannungsabhängigkeit gekennzeichnet, und es konnte kein Literaturmodell gefunden werden, welches in der Lage war, die Daten zu beschreiben. Daher wurde ein eigenes Modell auf der Datengrundlage entwickelt, welches sowohl primäres als auch sekundäres Kriechen berücksichtigt. Wie in Abbildung 2a gezeigt, beschreibt das entwickelte Modell die gemessenen Daten über alle Temperaturen und Spannungen gut. Über eine Subroutine wurde das Modell in die Finite-Elemente (FE) Software implementiert. Für weitergehende Informationen wird auf [2] verwiesen.

Somit wurde in dieser Arbeit erstmals ein ganzheitliches Kriechmodell verwendet, welches primäres und sekundäres Kriechen abbildet. Die nun folgenden Lebensdauersimulationen waren als Multidomain- Simulationen ausgebildet: Eine elektro-thermische Simulation berechnete die aus dem Strom folgende Temperaturverteilung unter Berücksichtigung der Rückkopplung aufgrund des temperaturabhängigen Widerstands, anschließend wurde die resultierende Temperaturverteilung als Eingangsgröße für eine thermo-mechanische Simulation genutzt, um die Spannungs- und Dehnungszustände zu ermitteln und zu bewerten. Für das zu erstellende Lebensdauermodell wurde zusätzlich noch ein skalarer Fehlerparameter benötigt, welcher sich aus einer Mittelung der inelastischen (plastische + Kriech-) Dehnung entlang eines repräsentativen Risspfades ergab [3]. Die benötigten experimentellen Ausfalldaten stammten aus drei Power-Cycling-Experimenten mit verschiedenen Belastungsszenarien. Das resultierende Lebensdauermodell ist in Abbildung 2b dargestellt. Mit einem Fit nach dem Coffin-Manson-Modell konnte die Abhängigkeit bestätigt werden. Solch ein kalibriertes Physics-of-Failure-Lebensdauermodell erlaubt es nun, nur mithilfe von FE-Simulationen aussagekräftige Zuverlässigkeitsvorhersagen für abweichende Lasten oder geänderte Geometrien zu treffen. Zusammenfassend: In dieser Arbeit wurde ein erstes Physics-of-Failure-basiertes Lebensdauermodell für ein komplexes Leistungsmodul für Elektrofahrzeuge entworfen. Das zu untersuchende Modul war durch den Einsatz von SiC MOSFETs als Leistungsschalter und gesintertem Silber sowohl in der unterseitigen als auch in der oberseitigen Anbindung gekennzeichnet. Die notwendige Materialcharakterisierung, insbesondere von gesintertem Silber, erfolgte mittels Zugversuchen und ein eigenes Kriechmodell wurde entwickelt, um die gemessenen Daten zu beschreiben. In Zukunft erlaubt das Zusammenspiel von Simulation und Experiment im Rahmen eines Physics-of-Failure-Ansatzes die Testzeiten drastisch zu reduzieren.

Abb. 2: (a) Bild einer Zugprobe und Abgleich von gemessenen Kriechdaten und entwickeltem Modell. (b) Erzeugtes Lebensdauermodell gemäß dem Physics-of-Failure-Ansatz

IMAPS Deutschland – Ihre Vereinigung für Aufbau- und Verbindungstechnik

IMAPS Deutschland, Teil der „International Microelectronics and Packaging Society“ (IMAPS), stellt seit 1973 in Deutschland das Forum für alle dar, die sich mit Mikroelektronik und Aufbau- und Verbindungstechnik beschäftigen. Mit fast 300 Mitgliedern verfolgen wir im Wesentlichen drei wichtige Ziele:

• wir verbinden Wissenschaft und Praxis
• wir sorgen für den Informationsaustausch unter unseren Mitgliedern und
• wir vertreten den Standpunkt unserer Mitglieder in internationalen Gremien.

Veranstaltungskalender

References

[1] European Center for Power Electronics (ECPE), Qualification of Power Modules for Use in Power Electronics Converter Units in Motor Vehicles, Guideline AQG 324 V03.1/2021, 2021.
[2] F. Forndran, Physics-of-Failure Based Lifetime Modelling of Silver Sintered Power Modules for Electric Vehicles by Experiment and Simulation, Technische Universität Chemnitz, 2024.
[3] B. Wunderle, K.-F. Becker, R. Sinning, O. Wittler, R. Schacht, H. Walter, M. Schneider-Ramelow, K. Halser, N. Simper, B. Michel and H. Reichl, „Thermo-mechanical reliability during technology development of power chip-on-board assemblies with encapsulation,“ Microsystem Technologies, vol. 15, pp. 1467-1478, 2009.

Kontakt:

Dr. Freerik Forndran
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Impressum

IMAPS Deutschland e. V.
Kleingrötzing 1, D-84494 Neumarkt-St. Veit

1. Vorsitzender: Prof. Dr.-Ing. Martin Schneider-Ramelow, Institutsleiter Fraunhofer-Institut für Zuverlässigkeit und Mikrointegration (IZM),
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Schatzmeister
(bei Fragen zu Mitgliedschaft und Beitrag):
Ernst G. M. Eggelaar, Diese E-Mail-Adresse ist vor Spambots geschützt! Zur Anzeige muss JavaScript eingeschaltet sein.

Ausführliche Kontaktinformationen zu den Vorstandsmitgliedern finden Sie unter www.imaps.de
(Vorstand)