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Multifunktionaler siliziumbasierter Testchip für die Aufbau- und Verbindungstechnik in der Leistungselektronik

 
: Feißt, M.
: Wilde, J.; Quay, R.; Möller, E.

Freiburg, 2016, VI, 87 pp.
Freiburg, Univ., Master Thesis, 2016
German
Master Thesis
Fraunhofer IAF ()

Abstract
Thermisch induzierte mechanische Belastungen, die durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten auftreten, sind eine der größten Ausfallursachen von mikroelektronischen Bauelementen. Besonders in der Leistungselektronik, wo durch die großen Spannungen und Ströme auch hohe Temperaturen durch die Verlustleistung entstehen, ist es für die Fehleranalyse und Lebensdauervorhersage wichtig diese mechanischen Spannungen zu kennen. Eine Möglichkeit diese zu bestimmen, ist das eigentliche Bauteil durch einen Testchip zu ersetzten und auf dessen Oberfläche durch aufgebrachte Strukturen die Dehnung zu messen. In dieser Arbeit wird ein Konzept eines solchen Testchips für siliziumbasierte Bauelemente der Leistungselektronik vorgestellt. Um dabei das Verhalten des Bauteils realitätsnah zu simulieren, ist der Chip über Heizelemente in der Lage sich intrinsisch zu erwärmen. Dadurch wird der Aufwand der Messungen reduziert und die Temperatur im Modul ist nicht homogen wie in einer Klimakammer, sondern entspricht der Wärmeverteilung in der tatsächlichen Anwendung. Anhand von Finite-Elemente-Simulationen wurde ein System entwickelt und optimiert, bei dem das Volumen des Testchips als Widerstandsheizer verwendet wird. Neben den Heizelementen enthält der Chip auf seiner Oberfläche Dehnungsmesstreifen, wovon jeweils drei in jeder Messzelle im 45°-Winkel angeordnet sind, aus einer Chrom-Nickel Legierung sowie Temperatursensoren aus Nickel. Durch diese Kombination lässt sich temperaturkompensiert der Spannungszustand in der Oberfläche bestimmen. Für das Konzept wurde zur Fertigung ein Prozessablauf erstellt und dieser im IMTEK Reinraum umgesetzt. Die Funktion der Teststrukturen wurde sowohl thermisch, als auch mechanisch charakterisiert. Für die Evaluierung der Heizelemente wurden die gefertigten Chips mittels eines elektrisch leitfähigen Klebstoffes in einem anwendungsnahen Aufbau auf ein Direct-Copper-Bonded Substrat gefügt. Die Heizelemente erfüllten in Bezug auf ihre elektrischen Eigenschaften, die statische Wärmeverteilung und ihr transientes Verhalten die an sie gestellten Erwartungen. Die Dehnungsmessung konnte ebenfalls anhand einer Abkühlkurve eines Klebevorganges nachgewiesen werden.

 

Thermally induced mechanical stress, caused by different CTEs, is one of the major causes of failure for microelectronic devices. Especially for power electronics, where high voltages and currents lead to high temperatures because of power losses, it is important to know these loads for failure analysis and lifetime prediction. One opportunity to measure these is to replace the device with a surface structured test chip and use strain gauges to determine the stresses. In this work a concept for a test chip for silicon based power electronic devices is presented. To imitate a realistic behavior the chip contains elements for intrinsic heating. This reduces effort in measurement and the temperature profile in the assembled module is similar to the application. Unlike the homogenous profile for passive heat cycling using a climate camber. Finite element simulation was used to develop and optimize a system, where the bulk material of the chip was used as a resistive heater. Besides the heating elements strain gauges, three in each measurement cell oriented at a 45° angle, made from chrome nickel alloy and resistive temperature detectors made from nickel were implemented on the surface. This combination allows determining the temperature compensated state of stress on the surface. A process flow for the concept was developed and was manufactured in the IMTEK clean room. The measurement structures were characterized thermally and mechanically. For the evaluation of the heating concept the chips were application-oriented mounted on direct copper bonded substrates by an electric conductive adhesive. The heating elements fulfilled the expectations regarding electrical properties, the static temperature profile as well as the transient heating behavior. The strain measurement was proven by determining the stresses occurring in an adhesive bonding process.

: http://publica.fraunhofer.de/documents/N-410522.html