Degradation analysis of thin die-attach layer under cyclic thermal load in microelectronics packaging

Titel in Übersetzung: Analyse der Degradation dünner Lötmetall Schichten für mikroelektronische Bauteile unter zyklisch thermischer Belastung

Tiphaine Marie Albane Pelisset

Publikation: Thesis / Studienabschlussarbeiten und HabilitationsschriftenDissertation

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Abstract

In der Leistungshalbleiterindustrie gelten bereits jetzt hohe Anforderungen an die Zuverlässigkeit der Bauteile. Der Trend bei neuen Technologien geht hin zu höheren Stromdichten bei gleichzeitiger Reduktion der Größe. Zusätzlich steigen auch die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und die erwartete Lebensdauer. Diskrete Leistungshalbleiter versagen auf Grund einer Vielzahl von Mechanismen, wie etwa Korrosion, Elektromigration und thermische Expansion. Die daraus resultierenden Fehlermodi sind unterschiedlich: Riss im Chip, Riss in der Metallisierung oder Abhebung des Bonddrahtes. Der dominierende Fehlermechanismus wird durch den Unterschied im Wärmeausdehnungskoeffizient des Package Materials erzeugt. Der Wärmedehnungskoeffizient liegt innerhalb eines Intervalls von 3×10−6K−1 bis 50×10−6K−1, von einem kleinen Wert für Silizium bis hin zu einem großen Wert für die Pressmasse. Zyklische thermische Belastung führt zu zyklischen Spannungen und damit zur Werkstoffermüdung. Diese Arbeit beschreibt das Werkstoffverhalten und die Materialermüdung von dünnen Lotschichten unter zyklischer Belastung. Ziel ist es, experimentell und mittels Simulation an dieses Thema heranzugehen. Zu Beginn wird sowohl ein Materialmodell als auch eine experimentelle Methode für die Untersuchung des elasto-platischen Verhaltens der Lötverbindung präsentiert. Hierzu werden Finite Elemente Simulationen, als auch Wafer Krümmungs Messungen durchgeführt. Für die Beschreibung des Materialverhaltens wird das elasto-viskoplastische Modell von Chaboche herangezogen, dessen Materialparameter mit Hilfe von Monte Carlo Simulationen abgeschätzt werden. Der Vergleich der Simulationsergebnisse mit den gemessenen Spannungs-Temperatur-Kurven zeigt eine sehr gute Übereinstimmung. Durch die Wahl von geeigneten Randbedingungen konnten die dazu notwendigen Finite Elemente Modelle auf wenige Elemente reduziert werden. Im zweiten Schritt wird die Schädigung in der Metallschicht in-situ untersucht, d.h. in regelmäßigen Abständen während des zyklischen Testens wird die Metallschicht mit Ultraschall untersucht und analysiert. Diese nicht-destruktive Methode ermöglicht die Beobachtung von Rissausbreitung. Nach dem Test wird die genaue Fehlerursache mittels Cross-Sectioning ermittelt. Zwei Modi dominieren: Delamination an der Grenzfläche und Risse innerhalb der Metallschicht. Die Delamination an der Grenzfläche folgt einem Potenzgesetz. Der Einfluss von Geometrie- und Werkstoffparametern wird simulativ - mittels Methoden der linear-elastischen Bruchmechanik - untersucht. Für das Package wird ein zwei-dimensionales Modell verwendet, wobei für die Materialien elastisches Verhalten angenommen und die Struktur zu drei Komponenten vereinfacht wird: Leadframe, Chip und Pressmasse. Für diesen Aufbau werden die Spannungsfelder und daraus die Energiefreisetzungrate bei Rissfortschritt berechnet. Abhängig von der Risslänge verändert sich die Freisetzungsrate, sie erreicht ihr Maximum für eine bestimme Kombination aus Chip und Leadframe Dicke. Um die Entwicklung der Schädigung genauer zu untersuchen, wurde eine weitere Simulationsmethode angewendet. Diese verwendet ein komplexeres Modell, welches die multiplen Schichten an der Chiprückseite berücksichtigt. Die Delamination der Grenzschicht wird mittels einer Cohesive-Zone Ansatzes modelliert. Zusätzlich wird auch die Veränderung der Temperatur und die plastische Verformung der Metallschichten während der zyklischen Belastung berücksichtigt. Der simulierte Rissfortschritt zeigt den gleichen Trend wie die Experimente. Die Delamination entsteht an den Kanten und wächst in Richtung Zentrum, wobei die Risslänge einem Potenzgesetz in Abhängigkeit der Zyklenzahl folgt. Diese Untersuchungen zeigen, dass sich der Cohesive-Zone Ansatz für die Modellierung von Rissen in dünnen Schichten unter zyklisch thermischer Belastung gut eignet.
Titel in ÜbersetzungAnalyse der Degradation dünner Lötmetall Schichten für mikroelektronische Bauteile unter zyklisch thermischer Belastung
OriginalspracheEnglisch
QualifikationDr.mont.
Betreuer/-in / Berater/-in
  • Antretter, Thomas, Beurteiler A (intern)
  • Pettermann, Heinz E., Beurteiler B (extern), Externe Person
PublikationsstatusVeröffentlicht - 2015

Bibliographische Notiz

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Schlagwörter

  • dünne Schicht
  • mikroelektronik
  • Cohesive-Zone
  • Riss
  • Delamination
  • Finiten Elemente
  • Simulation

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