DE19723080A1

DE19723080A1 - Prüfverfahren für Halbleiterbauelemente

Info

Publication number: DE19723080A1
Application number: DE19723080A
Authority: DE
Inventors: Horst Meinders
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-06-02
Filing date: 1997-06-02
Publication date: 1998-12-10
Also published as: ITMI981128A1

Description

STAND DER TECHNIK

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Prüfverfahren zur Ermittlung von Defekten in Halbleiterbauelementen, und ins besondere ein Prüfverfahren zur Ermittlung von Kristallris sen in Leistungshalbleiterbauelementen mit dem Schritt: Er mitteln eines ersten Werts des thermischen Widerstandes des Halbleiterbauelements durch Anlegen mindestens eines ersten vorbestimmten Lastimpulses mit einem entsprechenden ersten Energieübertrag an das Halbleiterbauelement.

Die Erkennung von Defekten an Halbleiterbauelementen, ins besondere nach deren Montage, ist aufgrund der Winzigkeit der Strukturen und aufgrund der Vielzahl von in Betracht kommenden Fehlern ein schwieriges Problem. Entsprechend sind komplizierte und aufwendige Prüfverfahren notwendig, um fehlerhafte Bauelemente zu erkennen und so deren Abson derung zu ermöglichen.

Diese Prüfverfahren, mit denen man ermitteln will, ob die Bauelemente defektfrei und daher zur Praxisanwendung taug lich sind, umfassen im allgemeinen elektrische Messungen, mechanische Messungen und visuelle Inspektionen.

Defekte können am Chip und/oder an der Verpackung vorlie gen. Typische Defekte am Chip sind Verunreinigungen, Schichtablösungen, Schichtunterbrechungen, Anschlußunter brechungen, Kristallschäden, elektrochemische Veränderun gen, usw. Typische Defekte an der Verpackung sind Undich tigkeit, Bläschenbildung in der Isolationsmasse oder in der Lotschicht, usw.

Ohne Beschränkung ihrer prinzipiellen allgemeinen Anwend barkeit auf andere Defektarten wird die vorliegende Erfin dung sowie die ihr zugrundeliegende Problematik anhand von Kristallrissen im Halbleitermaterial des Chips, z. B. Sili zium oder Galliumarsenid, montierter Leistungshalbleiter bauelemente näher erläutert.

Solche Kristallrisse sind ein meßtechnisch äußerst schwer zu erkennender Fehler. Dies liegt einerseits daran, daß sie von außen in der Regel nicht sichtbar sind, weil die Ver packung der Chips aus undurchsichtigem Material, z. B. Mold masse (z. B. Gießmasse oder Preßmasse) aus schwarzem Epoxi harz, besteht.

Andererseits können Kristallrisse oft auf elektrischem Weg nicht detektiert werden, wenn sie sich in der Neutralzone des Halbleiters (z. B. Substratschicht) befinden.

Auch sind Kristallrisse thermodynamisch unstabil, d. h. sie können sich mit der Zeit in Abhängigkeit von den herrschen den Umgebungsbedingungen reversibel oder sogar irreversibel verändern.

Kristallrisse können, wenn sie im Entstehungsstadium nur in mikroskopischer Größe als sogenannte Mikrorisse vorliegen, vom optischen und elektrischen Erscheinungsbild völlig un auffällig sein, mit anderen Worten überhaupt nicht fest stellbar sein.

Erst bei Weiterverarbeitung der Chips zur Montage im Gehäu se, Einlöten der montierten Gehäuse in Platinen, Tempera turwechseltests, oder sogar erst praxisnahen Anwendungs tests oder zeitraffenden Alterungstests können sich derar tige Defektkeime dann vergrößern und durch entsprechende Fehler in der elektrischen Charakteristika, z. B. Kurz schlüsse, erhöhter thermischer Widerstand, usw. ermittelt werden.

In der folgenden Tabelle I sind einige mögliche Quellen für Kristallrisse in den hier erörterten verpackten Leistungs halbleiterbauelementen aufgelistet.

Tabelle I

Prozeß
Ursache
Sägeprozeß	schlechtes Sägeblatt
Abnehmen von Sägefolie	mechanische Stoßbelastung
Lötvorgang	Beschädigung durch Werkzeug oder thermische Überbelastung
Bonden und Abrißkraftmessung	mechanische Überbelastung
Sichtprüfung	unachtsames Handling
Molden	mechanische Stoßbelastung beim Beladen der Magazine
Vereinzeln	schlechte Stanzwerkzeuge

Analysiert man die auftretenden Kristallrisse, so zeigt sich, daß man primär drei Gruppen von Defekten unterschei den kann:

a) Muschelbrüche, die üblicherweise von der Oberkante des Chips ausgehen und überwiegend durch Handlingfehler oder schlechte Sägeblätter auftreten;
b) vertikale Chiprisse, die senkrecht zur Hauptebene des Chips verlaufen und im Montageprozeß seltener zu beob achten sind, da sie nur bei Einwirkung massiver Kräfte entstehen; und
c) horizontale Chiprisse, die parallel zur Hauptebene des Chips verlaufen und oft als Mikrorisse nahe der Lot schicht auf der Chiprückseite auftreten und dabei kei ne Wirkung auf die elektrischen Eigenschaften aufwei sen; auch sie treten überwiegend durch Handlingfehler (z. B. beim Vereinzeln) oder schlechte Sägeblätter auf.

Die obige Tabelle I verdeutlicht, daß die kumulierte Auf tretenswahrscheinlichkeit von Kristallrissen gerade bei solchen verpackten Leistungshalbleiterbauelementen hoch ist, denn sie können nahezu bei jedem Montageschritt auf treten. Daher werden dringend effektive Prüfverfahren zum Screening derart beschädigter Bauelemente benötigt.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders gut zur Er mittlung horizontaler Chiprisse geeignet, welche oft bis zu 30% der Chipfläche beeinflussen, elektrisch aber weitgehend unauffällig sind.

Bisher wird das Screening von horizontalen Chiprissen mit einer Reihe von Prüfverfahren durchgeführt:

i) Passive Temperaturwechsel und anschließend kurzer ak tiver Betrieb der Bauelemente ohne Kühlung zur Funkti onskontrolle;
ii) Messungen des thermischen Widerstands mit Einführung von vorgegebenen Obergrenzen; und
iii) U_CES-Screening, d. h. Mehrfachmessung der Emitter- Kollektor-Sperrspannung bei hohem Strom und Kontrolle der Stabilität der Durchbruchsspannung.

Als besonders nachteilhaft bei allen diesen bekannten Prüf verfahren hat sich die Tatsache herausgestellt, daß deren Empfindlichkeit für ein effektives Screening in der Regel zu gering ist.

Die vorliegende Erfindung geht von dem Prüfverfahren nach Gruppe ii) aus, also Messungen des thermischen Widerstands. Solche Messungen des thermischen Widerstands (oder kurz: Zth-Messungen) bestehen üblicherweise aus folgenden Schrit ten:

a) Messung und Abspeicherung der Temperatur eines pn- Übergangs über die Flußspannung der Inversdiode;
b) Einprägen eines Lastimpulses mit einer definierten Verlustleistung während einer bestimmten Zeit entspre chend einem definierten Energieübertrag an das Halb leiterbauelement;
c) Wiederholung der Messung und Abspeicherung der Tempe ratur des pn-Übergangs über die Flußspannung der In versdiode nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeit spanne Δt seit dem Lastimpuls; und
d) Bestimmung der Differenz der Flußspannung als Maß für die durch den Lastimpuls bewirkte Temperaturänderung.

Die Flußspannung des pn-Übergangs für Silizium verkleinert sich nach dem Lastimpuls um ca. 2 mV/°C.

Bei solchen standardmäßigen thermischen Widerstandstests zeigen Bauelemente mit horizontalen Chiprissen lediglich einen leicht erhöhten thermischen Widerstandswert (Zth- Wert). Ein Screening auf dieser Basis würde zur Absonderung von zu vielen guten Teilen und der Nichterkennung vieler Teile mit Kristallrissen aber gutem Zth-Wert führen.

VORTEILE DER ERFINDUNG

Das erfindungsgemäße Prüfverfahren für Halbleiterbauelemen te mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist gegenüber den bekannten Lösungsansätzen den Vorteil auf, daß defekte Bau elemente hinreichend signifikante Abweichungen vom Mittel wert zeigen und daher hinreichend sicher erkennbar sind.

Die der vorliegenden Erfindung zugrundeliegende Idee be steht darin, daß nach dem ersten standardmäßigen thermi schen Widerstandstest mindestens ein weiterer thermischer Widerstandstest durchgeführt wird, der solch einen Einfluß auf einen vorhandenen Defekt ausübt, daß sich dadurch der thermische Widerstandswert merklich verändert.

In den Unteransprüchen finden sich vorteilhafte Weiterbil dungen und Verbesserungen des in Anspruch 1 angegebenen Prüfverfahrens.

Gemäß einer bevorzugten Weiterbildung wird der zweite, hö here Energieübertrag in Abhängigkeit von der Art des zu er mittelnden Defekts vorbestimmt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird als Korrelation die Differenz zwischen dem ersten und zweiten Wert des thermischen Widerstandes des Halbleiterbauelements gebildet. Diese Art der Korrelation führt zu einem sehr zu verlässigem Beurteilungskriterium.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein De fekt angenommen, wenn die Differenz oberhalb eines vorbe stimmten Differenz-Schwellwerts liegt.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird eben falls berücksichtigt, ob der erste Wert des thermischen Wi derstandes (Zth1) des Halbleiterbauelements oberhalb eines vorbestimmten Z_th-Schwellwerts liegt. Dies hat den Vorteil, daß bei Änderungen des Zth-Werts in der Nähe des Differenz- Schwellwerts ein zusätzliches Kriterium zur Beurteilung des Vorliegens von Defekten verfügbar ist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird ein zweiter Lastimpuls mit erhöhter konstanter Leistung und/oder erhöhter Lastimpulsdauer durchgeführt. Dies ermög licht eine zuverlässige Steuerung des zweiten Energieüber trags.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren zur Ermittlung von Kristallrissen in Leistungs halbleiterbauelementen angewendet, deren Chip zumindest teilweise mit einer Moldmasse umgeben sind, welche einen größeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten und/oder eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als der Chip aufweist.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird beim erfindungsgemäßen Verfahren zur Ermittlung von horizontalen Kristallrissen ausgenutzt, daß der zweite, höhere Energie übertrag derart bemessen ist, daß die horizontalen Kri stallrisse zumindest für die Dauer mindestens eines zweiten Lastimpulses wieder zusammenfügt werden.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren auf Leistungstransistoren angewendet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren auf IGBT-Leistungstransistoren angewendet. IGBT bedeutet dabei Insulated-Gate-Bipolartransistor.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren auf Leistungsdioden angewendet.

Gemäß einer weiteren bevorzugten Weiterbildung wird das Verfahren auf Leistungsthyristoren angewendet.

ZEICHNUNGEN

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher er läutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für die Anwendung des erfindungsge mäßen Prüfverfahrens auf Bipolartransistoren des Typs BOSCH BIP172 montiert auf T0220-Gehäusen; und

Fig. 2 eine schematische Darstellung eines horizontalen Chiprisses in einem untersuchten Bauteil.

BESCHREIBUNG DER AUSFÜHRUNGSBEISPIELE

Das nachstehend beschriebene Ausführungsbeispiel entstand anhand von Messungen an Bipolartransistoren des Typs BOSCH BIP172 montiert im Standardgehäuse T0220 für Zündungsanwen dungen.

Folgende Verfahrensschritte wurden an den Bauelementen durchgeführt.

Zunächst wurde die Flußspannung der Inversdiode bei einem Meßstrom von 1 mA bestimmt. Daraufhin wurde ein Lastimpuls mit einer definierten Verlustleistung von 60 W mit den Pa rametern
Kollektorstrom: I_C = 3A
Kollektor-Emitter-Spannung: U_CE = 20 V
Einschaltzeit: t_ein = 20 ms
eingeprägt. Dann wurde die Messung der Flußspannung nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne Δt = 150 µs seit dem Lastimpuls wiederholt und die Differenz der Fluß spannung bestimmt. Daraus wurde der ersten Zth-Wert Zth1 ermittelt.

Bis dahin entspricht das Verfahren der standardmäßigen Zth- Messung.

Als nächstes wurde erneut die Flußspannung der Inversdiode bei einem Meßstrom von 1 mA bestimmt. Ein zweiter Lastim puls mit einer definierten Verlustleistung von 60 W, aber einer erhöhten Lastimpulsdauer entsprechend dem zehnfachen Energieübertrag mit den Parametern
Kollektorstrom: I_C = 3A
Kollektor-Emitter-Spannung: U_CE = 20 V
Einschaltzeit: t_ein = 200 ms
eingeprägt. Die Flußspannung wurde nach Verstreichen einer vorbestimmten Zeitspanne Δt = 150 µs seit dem zweiten La stimpuls wiederholt und erneut die Differenz der Flußspan nung bestimmt. Daraus wurde der zweite Zth-Wert Zth2 ermit telt.

In Fig. 1 dargestellt ist eine Auftragung des ersten ermit telten Zth-Wertes Zth1 gegenüber der Änderung (Differenz) des Zth-Wertes ΔZth, also Zth1-Zth2.

Untersucht wurde ein Los von insgesamt 50 Bauteilen, wobei in das Los gezielt Teile mit horizontalen Chiprissen einge fügt waren.

Wie sich Fig. 1 deutlich entnehmen läßt, liegt die Änderung des Zth-Wertes ΔZth bei den meisten der 50 Bauteile unter halb der gestrichelten Linie entsprechend ΔZth = 5 mV. Nur 8 der 50 Bauteile zeigten nach dem zweiten Lastimpuls eine Verringerung des Zth-Wertes ΔZth oberhalb von 5 mV, und zwar im Bereich zwischen 5 mV und 10 mV.

Weiterhin entnimmt man Fig. 1, daß der erste Zth-Wert Zth1 bei den meisten der 50 Bauteile unterhalb von 90 mV liegt. Nur 6 der 50 Bauteile zeigten nach dem ersten Lastimpuls einen Zth-Wertes Zth1 zwischen 90 mV und 105 mV.

Nach Durchführung dieser elektrischen Prüfmessungen wurden die Teile mittels einer Ultraschallanalyse untersucht. Da bei zeigten diejenigen Teile, welche die Verringerung des Zth-Wertes ΔZth zwischen 5 mV und 10 mV aufwiesen, eine De lamination am Chip zum Flansch hin in unmittelbarer Lotnä he. Diese Delamination ist am besten bei Durchstrahlung vom Kühlkörper her erkennbar. Dagegen verhielten sich die übri gen Teile unauffällig.

Die durch die Ultraschallanalyse festgestellte Delamination bestätigte sich bei der nachfolgenden visuellen Bauteilana lyse nach Entfernung der Moldmasse. Deutlich erkennbar bei diesen Teilen waren flach in den Siliziumchip hineinlaufen de horizontale Kristallrisse in der Nähe der Rückseitenme tallisierung.

Dabei sei bemerkt, daß die Delaminationen mittels Röntgena nalyse nicht feststellbar waren.

Fig. 2 ist eine schematische Darstellung eines horizontalen Chiprisses in einem untersuchten Bauteil zur Erläuterung der obigen Meßergebnisse.

In Fig. 2 bezeichnet Bezugszeichen 1 den Kühlsockel des verwendeten Standardgehäuses TO220. Bezugszeichen 2 steht für die Lotschicht, welche die Rückseitenmetallisierung des Chips 3 (hier BOSCH BIP 172) mit dem Kühlsockel 1 verbin det. Ein horizontaler Kristallriß ist mit 4 angedeutet. Schließlich bezeichnet 5 die Moldmasse und 6 einen Bond draht.

Der Stromfluß durch den dargestellten Chip erfolgt von ei ner (nicht dargestellten) Stromquelle über Bonddraht 6 durch den Chip 3 senkrecht zu dessen Hauptebene und über den Kühlsockel zurück zur Stromquelle.

Wie aus Fig. 2 klar erscheint, verkleinert der horizontale Kristallriß den Querschnitt des Kristalls an der betreffen den Stelle. Dies hat zur Folge, daß sich lokal der Wärmewi derstand vergrößert, weil über den delaminierten Bereich keine Wärmeleitung auftritt. Weiterhin erhöht sich lokal die Stromdichte.

So läßt sich einerseits erklären, daß die Teile mit Rissen in der Regel einen leicht erhöhten ersten Zth-Wert Zth1 aufweisen, der allerdings, wie anfangs erwähnt, kein effek tives Screening ermöglicht.

Die beobachtete Reduzierung des zweiten Zth-Wertes Zth2 an dererseits läßt sich folgendermaßen erklären. Der Chip 3 wird durch den zweiten Lastimpuls mit dem höheren Energie übertrag kurzzeitig so stark erwärmt, daß sich hierdurch die Delamination wieder schließt. Die Reduktion basiert auf dem Effekt, daß bei der kurzzeitigen Belastung zunächst vorwiegend der Chip, nicht jedoch die umgebende Moldmasse erwärmt wird.

Somit ist der lokale Wärmewiderstand bei der zweiten Zth- Messung wieder "normal", d. h. annähernd so wie im Fall ohne Riß, und somit der gemessene Zth-Wert Zth2 geringer als der erste Zth-Wert Zth1. Der Reduktionseffekt ist dabei so groß, daß sich die betreffenden Teile mit ausreichender Si gnifikanz absondern lassen, wenn der Energieübertrag des zweiten Lastimpulses geeignet gewählt ist.

Der Erfolg des erfindungsgemäßen Prüfverfahrens basiert insbesondere darauf, daß es die Abhängigkeit von der abso luten Qualität der thermischen Ankopplung, die von zahlrei chen weiteren Faktoren beeinflußt wird (z. B. Blasen in der Lotschicht u. a.) und den ersten Zth-Wert Zth1 maßgeblich beeinflußt, beseitigt und nur relative Änderungen der Qua lität der thermischen Ankopplung berücksichtigt.

Die Ermittlung eines geeigneten Schwellwertes für die Ände rung des Zth-Wertes ΔZth, welcher im gezeigten Ausführungs beispiel 5 mV beträgt, kann empirisch erfolgen.

Obwohl die vorliegende Erfindung anhand dieses bevorzugten Ausführungsbeispiels beschrieben wurde, ist sie darauf nicht beschränkte sondern auf vielfältige Art und Weise mo difizierbar.

So ist eine Verallgemeinerung des Verfahrens auf beliebige Defekte und Halbleiterbauelemente möglich.

Weiterhin kann als zusätzliches Kriterium neben der Ände rung des Zth-Wertes ΔZth auch für den ersten Zth-Wert Zth1 ein Schwellwert gesetzt werden.

Auch können anstatt eines einzelnen ersten und zweiten La stimpulses vorbestimmte Sequenzen der jeweiligen Lastimpul sen eingeprägt werden. Dabei ist es zweckmäßig, für jedes Bauelement in einem Los denselben jeweiligen Energieüber trag vorzusehen.

Insbesondere kann der zweite, höhere Energieübertrag schrittweise in einer Sequenz zweiter Lastimpulse, z. B. bis zu einem bestimmten Grenzwert, der sich aus dem Materialbe dingungen ergibt, erhöht werden.

Bezugszeichenliste

1

Kühlsockel

2

Lotschicht

3

Halbleiterchip

4

horizontaler Kristallriß

5

Moldmasse

6

Bonddraht

Claims

1. Prüfverfahren zur Ermittlung von Defekten in Halblei terbauelementen, insbesondere zur Ermittlung von Kristall rissen in Leistungshalbleiterbauelementen mit dem Schritt:
Ermitteln eines ersten Werts des thermischen Widerstandes (Zth1) des Halbleiterbauelements durch Anlegen mindestens eines ersten vorbestimmten Lastimpulses mit einem entspre chenden ersten Energieübertrag an das Halbleiterbauelement;
gekennzeichnet durch die Schritte:
Ermitteln eines zweiten Werts des thermischen Widerstandes (Zth2) des Halbleiterbauelements durch Anlegen mindestens eines zweiten vorbestimmten Lastimpulses mit einem entspre chenden zweiten, höheren Energieübertrag an das Halbleiter bauelement;
Korrelieren (ΔZth) des ermittelten ersten und zweiten Werts des thermischen Widerstandes (Zth1, Zth2) des Halbleiter bauelements; und
Beurteilen des Vorliegens des Defekts im untersuchten Halb leiterbauelement unter Berücksichtigung der Korrelation (ΔZth).

2. Prüfverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite, höhere Energieübertrag in Abhängigkeit von der Art des zu ermittelnden Defekts vorbestimmt wird.

3. Prüfverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß als Korrelation (ΔZth) die Differenz (Zth1- Zth2) zwischen dem ersten und zweiten Wert des thermischen Widerstandes (Zth1, Zth2) des Halbleiterbauelements gebil det wird.

4. Prüfverfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorliegen des Defekts angenommen wird, wenn die ge bildete Differenz (Zth1-Zth2) oberhalb eines vorbestimmten Differenz-Schwellwerts liegt.

5. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Beurteilen des Vorliegens des Defekts ebenfalls berücksichtigt wird, ob der ermittel te erste Wert des thermischen Widerstandes (Zth1) oberhalb eines vorbestimmten Z_th-Schwellwerts liegt.

6. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein zweiter Lastimpuls mit er höhter konstanter Leistung und/oder erhöhter Lastimpulsdau er im Vergleich zu dem mindestens einen ersten Lastimpuls angelegt wird.

7. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Ermittlung von Kristall rissen in Leistungshalbleiterbauelementen angewendet wird, deren Chip (3) zumindest teilweise mit einer Moldmasse (5) umgeben ist, welche einen größeren thermischen Ausdehnungs koeffizienten und/oder eine schlechtere Wärmeleitfähigkeit als der Chip (3) aufweist.

8. Prüfverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß es zur Ermittlung von horizontalen Kristallrissen ange wendet wird und daß der zweite, höhere Energieübertrag der art bemessen ist, daß die horizontalen Kristallrisse zumin dest für die Dauer des mindestens einen zweiten Lastimpul ses zusammengefügt werden.

9. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es auf Leistungstransistoren angewendet wird.

10. Prüfverfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß es auf IGBT-Leistungstransistoren angewendet wird.

11. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es auf Leistungsdioden angewen det wird.

12. Prüfverfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß es auf Leistungsthyristoren an gewendet wird.