DE19610065A1

DE19610065A1 - Verfahren zur Abschätzung der Lebensdauer eines Leistungshalbleiter-Bauelements

Info

Publication number: DE19610065A1
Application number: DE19610065A
Authority: DE
Inventors: Babak Farokhzad
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1996-03-14
Filing date: 1996-03-14
Publication date: 1997-09-18
Also published as: US5877419A; EP0795756A3; JPH1026651A; EP0795756A2

Description

1. Einleitung und Stand der Technik

Aufgrund ihrer exzellenten elektrischen Eigenschaften und der vergleichsweise einfach aufgebauten Ansteuerelektronik kommen IGBT (Isolated Gate Bipolar Transistor) Leistungshalbleiter module zunehmend auch in ausfallkritischen Systemen zum Ein satz. Da insbesondere die für die Traktionskontrolle von schienengebundenen Fahrzeugen (Lokomotiven, S- und U-Bahnen, Straßenbahnen usw.) vorgesehenen Einheiten während der oft jahrzehntelangen Betriebsdauer häufig großen mechanischen und thermischen Belastungen unterworfen sind, stellen die Anwen der höchste Ansprüche an die Zuverlässigkeit und Lebensdauer der eingesetzten IGBT-Module.

Zur Zeit existiert noch kein standardisiertes Verfahren zum Testen der Zuverlässigkeit von IGBT-Leistungshalbleitermodu len. Eine Gruppe von Forschungsinstituten, Herstellern und Anwendern hat sich mit dieser Problematik befaßt und in [1] eine entsprechende Testmethode zur Diskussion gestellt. Gemäß den Vorschlägen dieser Gruppe soll das IGBT-Modul unter defi nierten Bedingungen einer Vielzahl von Lastwechseln unterwor fen und insbesondere dann als defekt oder fehlerhaft einge stuft werden, wenn die nach jeweils mehreren tausend Zyklen gemessene Kollektor-Emitter-Spannung (U_CEsat) um mehr als ei nen vorgegebenen Prozentsatz (20% dividiert durch die Anzahl der Chips im Modul) vom Anfangswert abweicht. Selbst wenn man diese Bedingung entschärft und eine 10%ige Unterschreitung der Anfangsspannung noch toleriert, tritt die entsprechende Degradation bei langlebigen Modulen erst nach einigen hun derttausend Lastwechseln auf. Da die Zyklusdauer (t_ein + t_aus) typischerweise im Bereich von etwa 10 bis 20 Sekunden liegt, nimmt der Zuverlässigkeits-/Lebensdauertest somit eine für die Routinekontrolle in der Produktion viel zu lange Meßzeit von mehreren Wochen oder gar Monaten in Anspruch.

2. Gegenstand und Vorteile der Erfindung

Das im folgenden beschriebene Testverfahren ermöglicht es, die Lebensdauer eines Leistungshalbleiter-Bauelements schon frühzeitig abzuschätzen bzw. dem Bauelement nach vergleichs weise wenigen Lastwechseln die Eigenschaft "langlebiger als ein Referenzelement" oder "kurzlebiger als ein Referenzele ment" zuzuordnen.

Das in Patentanspruch 1 angegebene Verfahren findet insbe sondere im Bereich der Entwicklung und Fertigung von IGBT-Leistungshalb-leitermodulen Verwendung. Es erlaubt schon nach verhältnismäßig kurzer Zeit festzustellen, welche der unter suchten Technologien die größten Vorteile hinsichtlich der Zuverlässigkeit/Haltbarkeit der Module bietet und welche Prozeßparameter ggf. noch einer Optimierung bedürfen. In der Qualitätskontrolle eingesetzt, kann man die der laufenden Produktion entnommenen Stichproben schneller als bisher über prüfen und die entsprechende Charge zur Auslieferung an die Kunden freigeben.

3. Zeichnungen

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit des Hilfsemitterwiderstandes (R_H) verschiedener IGBT-Bauelemente eines Moduls von der Anzahl (N) der Lastwechsel;

Fig. 2 die Steigung (dR_H/dN) der Hilfsemitterwiderstände in Abhängigkeit von der Anzahl (N) der Lastwechsel;

Fig. 3 die Beschaltung eines IGBT-Bauelements während der Messung des Hilfsemitterwiderstandes (R_H);

Fig. 4 die Beschaltung eines IGBT-Bauelements während der Messung des Emitterwiderstandes (R_E);

Fig. 5 die Beschaltung eines IGBT-Bauelements während der Messung des Widerstandes (R_EH) zwischen Emitter und Hilfsemitter;

Fig. 6 und Fig. 7 die Kollektor-Emitter-Spannungen (U_CEsat) zweier IGBT-Leistungshalbleitermodule in Abhängigkeit von der Anzahl (N) der Lastwechsel sowie die jeweils berech neten Ausgleichspolynome

4. Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Da die üblicherweise aus Aluminium bestehenden elektrischen Anschlüsse eines IGBT-Bauelements und der zu kontaktierende Siliziumchip unterschiedlich große thermische Ausdehnungs koeffizienten besitzen, treten im Bereich der Bonddrähte während des Betriebes mechanische Scherkräfte auf. Als Folge dieser Scherkräfte bilden sich im Metall feine Haarrisse, welche ständig wachsen und den Bonddraht allmählich von sei ner Unterlage lösen. Der betreffende Bonddraht hebt schließ lich von der Metallisierung ab und unterbricht dadurch die Strom-/Spannungsversorgung des IGBT-Bauelements (s. die Fig. 3-6 in [1]). Dieser Mechanismus führt am häufigsten zum Aus fall der aus mehreren Bauelementen bestehenden IGBT-Module, wobei die während des Betriebes nicht strombelasteten Hilfs emitter zumindest bei kleinen Strömen meist noch vor den je weiligen Hauptemittern abheben.

Die Degradation der Bonddrähte hat eine Änderung des Bond drahtwiderstandes zur Folge, so daß dieser als Indikator für die Zuverlässigkeit/Haltbarkeit des jeweiligen Anschlusses und damit der Lebensdauer des Bauelements bzw. des betreffen den IGBT-Moduls dienen kann. Im Rahmen entsprechender Unter suchungen hat sich gezeigt, daß ein Bauelement des Moduls um so früher durch das Abheben eines Bonddrahtes ausfällt, je schneller der Bonddrahtwiderstand mit der Zeit bzw. mit der Anzahl N der durchgeführten Lastwechsel zunimmt. Fig. 1 zeigt die Ergebnisse der an drei der insgesamt sechs Bauele mente (10 A, 600 V) eines IGBT-Moduls durchgeführten Messun gen. Dargestellt ist der Widerstand R_H des jeweiligen Hilfs emitters in Abhängigkeit von der Anzahl N der Lastwechsel. Die Testparameter sind in Tabelle 1 angegeben.

(Testparameter)
Ein-/Auszeit pro Zyklus
t_ein= 10 s; t_aus = 20 s
Temperaturspreizung	ΔT = 100 K
Anzahl der Zyklen	N = 10⁴
Gatespannung	U_G = 15 Volt
Kollektorstrom	I_C = 3 A

Den stärksten Anstieg zeigt der an Bauelement M2C5 gemessene Widerstand R_H des Hilfsemitters. Dieses Bauelement fiel auch bereits nach etwa der Hälfte der geplanten Anzahl von Last wechseln durch Abheben des Emitterbonddrahtes aus. Etwas langlebiger ist das Bauelement M2C1. Der Widerstand seines Hilfsemitters besitzt anfangs annähernd dieselbe Zeitabhän gigkeit wie der Hilfsemitterwiderstand des im durchgeführten Lastwechseltest langlebigsten Bauelements M2C4. Der Ausfall des Bauelements M2C1 kündigt sich nach etwa der Hälfte der Meßzeit durch einen stärkeren Anstieg des Hilfsemittrewider standes frühzeitig an. Ausfallkritische Werte erreicht der an Bauelement M2C4 gemessene Widerstand des Hilfsemitters erst sehr viel später.

Die Korrelation zwischen dem Verlauf des Hilfsemitterwider standes R_H und der erwarteten Lebensdauer des jeweiligen IGBT-Bauelements läßt sich auch anhand der Fig. 2 nachwei sen. Dargestellt ist der Anstieg dR_H/dN des jeweiligen Hilfs emitterwiderstandes R_H in Abhängigkeit von der Anzahl N der Lastwechsel. Man erkennt deutlich, daß ein IGBT-Bauelement um so früher ausfällt, je stärker der Widerstand R_H seines Hilfsemitters mit der Zeit ansteigt. Durch Vergleich der an einem Testelement gemessenen Ableitung dR_H/dN mit dem entsprechenden Wert (dR_H/dN)_Ref eines Referenzelementes kann man dem Testelement somit schon nach vergleichsweise wenigen Lastwechseln die Eigenschaft "kurzlebiger als das Referenz element" (dR_H/dN < (dR_H/dN)_Ref) oder "langlebiger als das Re ferenzelement" (dR_H/dN < (dR_H/dN)_Ref) zuordnen. Sind das Test element und das Referenzelement jeweils die ausfallfreudig sten Komponenten ihrer Einheit, so ist auch das betreffende Testmodul kurzlebiger/langlebiger als das Referenzmodul.

Zur Messung des Widerstandes R_H wird der Lastwechseltest kurz unterbrochen und das IGBT-Bauelement 1 mit einer regelbaren Konstantstromquelle 2 derart verbunden, daß der in den Kol lektor 3 jeweils eingespeiste Strom I_CH über den Halbleiter chip 4 und die obere Metallisierung 5 zum Hilfsemitter 6 und von dort zur Quelle 2 fließt (s. Fig. 3). Der durch einen Isolator vom Halbleiterchip 4 getrennte Gateanschluß 7 bleibt ebenso wie der Emitteranschluß 8 stromlos. Nach Aufzeichnung der zwischen Emitter 8 und Hilfsemitter 6 abfallenden Spannung U_EH ändert man die Stromstärke I_CH, um zumindest eine weitere Messung der Potentialdifferenz U_EH vorzunehmen. Die beispielsweise durch eine lineare Regression gewonnene Steigung der U_EH/I_CH-Kennlinie liefert dann den gesuchten Wi derstand R_H.

Wie oben erläutert, unterliegt auch der als Emitteranschluß dienende Bonddraht 8 einer Degradation. Die durch starke Scherkräfte hervorgerufenen Haarrisse beeinflussen wieder den Kontaktwiderstand, so daß sich durch Messung des Emitterwi derstandes R_E oder des Widerstandes R_EH zwischen Emitter 8 und Hilfsemitter 6 die Bonddrahtqualität beurteilen und die Le bensdauer des betreffenden Bauelements bzw. IGBT-Moduls ab schätzen läßt. So besitzt ein Bauelement 1 eine längere Le benserwartung als ein Bauelement 2, wenn die Ableitungen der Bedingung

(dR_E/dN)₁ < (dR_E/dN)₂

bzw.

(dR_EH/dN)₁ < (dR_EH/dN)₂

genügen. Die entsprechenden Meßaufbauten sind in Fig. 4 (R_E- Messung) und Fig. 5 (R_EH-Messung) schematisch dargestellt.

Größere IGBT-Leistungshalbleitermodule besitzen üblicherweise keine unmittelbar an den Halbleiterchips angebondete Hilfs emitter. Um die erwartete Lebensdauer dieser Module abzu schätzen, untersucht man vorteilhafterweise die Degradation der Kollektor-Emitter-Sättigungsspannung U_CEsat während eines Lastwechseltests und insbesondere die Steigung dU_CEsat/dN. Fig. 6 zeigt die an zwei IGBT-Modulen (300 A, 1600 V) jeweils gemessenen Sättigungsspannungen U_CESat in Abhängigkeit von der Anzahl N der Lastwechsel und die zugeordneten Ausgleichs polynome dritten Grades (durchgezogene Kurven). Die beiden Module unterscheiden sich im wesentlichen nur dadurch, daß während ihrer Herstellung jeweils andere Technologien zur Anwendung kamen. Der Lastwechseltest wurde abgebrochen, als die Sättigungsspannung U_CEsat des Moduls Nr. 1 um 10% von ih rem Anfangswert abwich. Anhand des Anstiegs dU_CEsat/dN der Sättigungsspannung U_CEsat bzw. der Steigung des zugeordneten Ausgleichspolynoms kann man spätestens nach etwa 2/3 der Test zeit mit großer Wahrscheinlichkeit vorhersagen, daß Modul 1 früher als Modul 2 das Ausfallkriterium (10%ige Abweichung der U_CEsat-Spannung von ihrem Anfangswert) erfüllen wird. Der für die Prognose der erwarteten Lebensdauer relevante Zeitbereich ist in Fig. 7 dargestellt. Bei der Berechnung der Ausgleichspolynome wurden, im Unterschied zu Fig. 6, nur die bereits nach etwa der Hälfte der Meßzeit vorliegenden Daten berücksichtigt. Deutlich zu erkennen ist die nach einer Anlaufphase größere Steigung des Modul Nr. 1 zugeordneten Ausgleichspolynoms. Da auch die zweiten Ableitungen der Bedingung

(d²U_CEsat/dN²)₁ < (d²U_CEsat/dN²)₂

genügen, kann man Modul 1 schon nach etwa der Hälfte der ge planten Lastwechsel mit großer Sicherheit die Eigenschaft "kurzlebiger als Modul 2" zuordnen.

Wird die erwartete Lebensdauer eines Moduls durch Analyse des U_CEsat-Verlaufs bereits nach vergleichsweise wenigen Lastwech seln vorgenommen, führt dies notwendigerweise zu einer erhöh ten Unsicherheit der Prognose. Neben der ersten und der zwei ten Ableitung der Sättigungsspannung U_CEsat sollten die aufge zeichneten Degradationskurven deshalb ggf. noch einer Zeit reihen-, Trend- oder Spektralanalyse unterzogen werden. Ent sprechende Verfahren sind aus dem Bereich der Statistik be kannt.

5. Ausgestaltungen und Weiterbildungen

Das oben beschriebene Verfahren kommt insbesondere in den Be reichen Forschung, Entwicklung und Qualitätssicherung zum Einsatz. Die Möglichkeit, IGBT-Bauelemente und IGBT-Module durch Analyse der aufgezeichneten Degradationskurven (R_H-, R_E-, R_EH- und U_CEsat-Kurven) nach ihrer erwarteten Lebensdauer zu klassifizieren, läßt sich aber auch in Traktionssystemen vorteilhaft nutzen. Die ohnehin rechnergesteuerte Kontroll einheit kann beispielsweise die U_CEsat-Spannungen der einzel nen Bauelemente periodisch abfragen, die aufgezeichneten Kur ven analysieren und ein Warnsignal erzeugen, wenn eine der Spannungen U_CEsat bzw. deren Steigung dU_CEsat/dN einen den be vorstehenden Ausfall signalisierenden kritischen Wert er reicht.

6. Literatur

[1] Proceedings of the 20th International Symposium for Testing and Failure Analysis, Los Angeles, 13.-18. Nov. 1994, S. 319-325.

Claims

1. Verfahren zur Abschätzung der Lebensdauer eines Leistungs halbleiter-Bauelements dadurch gekennzeichnet,

- daß das Bauelement einem periodischen Lastwechsel unterwor fen wird,
- daß die Potentialdifferenz U oder der ohmsche Widerstand R zwischen zwei Anschlüssen des Bauelements oder der ohmsche Widerstand R eines Bauelementanschlusses in Abhängigkeit von der Anzahl N der Lastwechsel gemessen wird,
- daß die Ableitung dU/dN der Potentialdifferenz U oder die Ableitung dR/dN des Widerstands R nach der Anzahl N der Lastwechsel bestimmt wird, und
- daß die Ableitung dU/dN oder dR/dN mit einem eine bestimmte Lebensdauer repräsentierenden Sollwert verglichen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ableitung dU/dN oder dR/dN mit der an einem Referenz element unter den gleichen Bedingungen innerhalb desselben Intervalls von Lastwechseln gemessenen Ableitung (dU/dN)_Ref oder (dR/dN)_Ref verglichen wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Bauelement gegenüber dem Referenzelement als langle biger eingestuft wird, sofern die Bedingung dU/dN < (dU/dN)_RefdR/dN < (dR/dN)_Refinnerhalb des betrachteten Intervalls von Lastwechseln er füllt ist und daß das Bauelement gegenüber dem Referenzele ment als kurzlebiger eingestuft wird, sofern die BedingungdU/dN < (dU/dN)_RefdR/dN < (dR/dN)_Refinnerhalb des betrachteten Intervalls von Lastwechseln er füllt ist.

4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die zweite Ableitung d²U/dN² oder d²R/dN² be rechnet und mit der entsprechenden Ableitung (d²U/dN²)_Ref bzw. (d²R/dN²)_Ref des Referenzelements verglichen wird.

5. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein Warnsignal erzeugt wird, falls die Ableitung dU/dN oder dR/dN größer ist als der Sollwert.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Lastwechsel an einem einen Emitteranschluß (8), einen Hilfsemitteranschluß (6) und einen Kollektoranschluß (3) auf weisenden Leistungshalbleiter-Bauelement (1) durchgeführt wird und daß der Widerstand zwischen dem Emitter- und Hilfs emitteranschluß (8, 6), der Widerstand des Emitters (8) oder des Hilfsemitters (6) oder die Kollektor-Emitter-Spannung in Abhängigkeit von der Anzahl N der Lastwechsel gemessen wird.