Degradationsmodi der Oberseitenkontaktierung von SiC-Leistungshalbleitern

Diese Dissertation untersucht die Zuverlässigkeit von Aufbau- und Verbindungstechniken in Siliziumkarbid (SiC)-Leistungsmodulen, insbesondere die Oberseitenkontaktierung mit Aluminium- und Kupfer-Bonddrähten. Motiviert durch den steigenden Bedarf an robusten und leistungsfähigen SiC-Modulen für Anwendungen in der Elektromobilität und Leistungselektronik, die hohe Leistungsdichten, Schaltfrequenzen und Betriebstemperaturen erfordern, wurden zwei Modultypen konzipiert, aufgebaut und mit Hilfe von Active Power Cycling erprobt: ein Aluminium-Modul (Aluminium-Bonddrähte, Aluminium-Metallisierung des SiC-Halbleiters) und ein Kupfer-Modul (Kupfer-Bonddrähte, Kupfer-Metallisierung des SiC-Halbleiters). Die Module wurden unter variierenden Temperaturhüben (110 - 170 K) und zwei unterschiedlichen Umgebungsbedingungen – unverkapselt oder mit Stickstoff geflutet – getestet, um den Einfluss der Oxidation auf die Zuverlässigkeit zu untersuchen. Die experimentell ermittelten Lebensdauerdaten wurden mit etablierten Lebensdauermodellen (CIPS 08, SKiM 63) und Literaturdaten verglichen. Finite-Elemente-Simulationen ergänzten die experimentelle Analyse, um die Spannungs- und Dehnungsverteilung in den Bondverbindungen zu untersuchen und die Degradationsmechanismen besser zu verstehen. Beim Al-Modul führten thermomechanische Spannungen zum Bonddraht-Lift-off, wobei Risse am Bondfuß begannen und sich entlang des Bondinterfaces ausbreiteten, aufgrund des Wärmeausdehnungskoeffizienten (CTE)-Mismatchs zwischen Aluminium und SiC. Mikroskopische Analysen zeigten Rekristallisation und Kornvergröberung, die die Materialfestigkeit schwächten. Bei den Cu-Modulen führte der Anstieg des thermischen Widerstands zur Degradation der Ag-Sinter-Die-Attach-Verbindung. Oxidation in unverkapselten Modulen förderte spröde Rissbildung, während stickstoffgeflutete Module eine längere Lebensdauer aufwiesen. Oxidation in unverkapselten Cu-Modulen verursachte spröde, vertikale Risse in der Cu-Metallisierung, die sich bis in die Nähe der SiC-Halbleiterstrukturen erstreckten. Im Vergleich zum Al-Modul ist dies ein neuer Versagensmechanismus. Bei stickstoffgefluteten Cu-Modulen mit minimaler Oxidation bildete sich ein horizontaler Riss unterhalb des Bondinterfaces in der Cu-Metallisierung. Längere APC-Belastung könnte zur Delamination der Metallisierung mit Bond führen, was ebenfalls die Wärmeableitung verschlechtert und einen ähnlichen Versagensmechanismus wie beim Al-Modul darstellt. Die Finite-Elemente-Simulationen bestätigten die experimentellen Befunde und zeigten, dass die höchsten plastischen Dehnungen in den Al-Bondfüßen bzw. im Cu-Bonddrahtfuß nahe der Grenzfläche zur Metallisierung auftreten. Sowohl bei Aluminium als auch bei Kupfer führen dünnere Bonddrähte und dickere Metallisierungen zu reduzierten plastischen Dehnungen und somit zu einer gesteigerten Lebensdauer. Die Simulationen unterstreichen die Bedeutung einer optimierten Aufbau- und Verbindungstechnik-Gestaltung, insbesondere der Metallisierungsdicke, für die Zuverlässigkeit von SiC-Leistungsmodulen. Die Ergebnisse dieser Arbeit verdeutlichen den Einfluss von Material, Oxidation und Metallisierungsdicke auf die Lebensdauer von Bondverbindungen in SiC-Leistungsmodulen und liefern Erkenntnisse für die Entwicklung hochzuverlässiger Aufbau- und Verbindungstechnik-Konzepte. Kupfer erweist sich als vielversprechendes Bonddrahtmaterial für SiC-Chips. Zukünftige Forschung sollte die Optimierung der Kupfer-Metallisierung, den Einfluss der Verkapselungsmaterialien, die Untersuchung des Einflusses von Alterung und Feuchte unter produktnahen Betriebsbedingungen sowie die Verfeinerung der Simulationsmodelle fokussieren, um die Lebensdauerprognosen zu verbessern und das Verständnis der komplexen Ausfallmechanismen zu vertiefen.

Author dc:creator

• Sankari, Rasched

Licence dc:rights.uri

• https://creativecommons.org/licenses/by/4.0/

Language dc:language.iso

de

Identifier URI

https://doi.org/10.14279/depositonce-24576

OAI identifier oai:identifier

oai:depositonce.tu-berlin.de:11303/25752