Lebensdauerbestimmung von Mikro- und Nanosystemen

Lastwechseltests spielen sowohl in der Forschung als auch in der Entwicklung eine wesentliche Rolle bei der Zuverlässigkeits- und Qualitätsbewertung von Leistungskomponenten und Modulen. Das Grundprinzip besteht darin, die Prüflinge mit zyklischen Laststromimpulsen zu beaufschlagen. Die sich dabei einstellende Temperaturverteilung sowie die sich daraus ergebenden thermo-mechanischen Belastungen kommen den realen Betriebsbedingungen sehr nahe und erlauben somit eine beschleunigte Lebensdauerprüfung.

Ein beispielhaftes Temperaturprofil während eines Lastwechseltests ist in Bild 1 dargestellt. Im Unterschied zu passiven Temperaturwechseltests können die Temperaturzielwerte, d.h. die maximale Sperrschichttemperatur T_j,max sowie der Temperaturhub ∆T_j, nur indirekt über Parameter wie Laststrom I_L, Heizdauer t_on, Kühlkörpertemperatur T_h sowie Probenfixierung (z.B. Auswahl des Thermisches Interfacematerials) eingestellt werden.

Typischerweise werden Lastwechseltests in zwei Untertypen klassifiziert – Lastwechseltests mit kurzen Heizzeiten (z.B. < 5s) sowie Lastwechseltests mit langen Heizzeiten (> 15s). Während erstere insbesondere die chip-nahe Aufbau- und Verbindungstechnik, d.h. die Chipoberseiten- (z.B. Bonddrähte) sowie die Chipunterseitenkontaktierung (z.B. Chiplot) beanspruchen, wird bei letzterer der gesamte Prüfling stärker durchwärmt, wodurch zusätzlich auch weiter entfernt liegende Verbindungselemente, beispielsweise die Systemlötung von Leistungsmodulen, thermo-mechanisch beansprucht wird (Bild 2).

Aktuelle Forschungsaktivitäten zielen darauf ab, diese Methodik weiter zu entwickeln und zu verbessern - beispielsweise indem die aktiven Lastwechseltests mit passiven Temperaturwechsel überlagert werden, was den realen Feldbedingungen noch näher kommt. Des Weiteren muss diese Methodik, insbesondere die zur Bestimmung der virtuellen Sperrschichttemperatur betreffend, für neue WBG[LU1] -Leistungshalbleiter (SiC, GaN) adaptiert werden.

Die Anforderungen an die Zuverlässigkeit und Robustheit elektronischer Systeme wachsen stetig. Dies ist zum einem dadurch bedingt, dass, wie beispielsweise im Automobilbereich, elektronische Steuermodule immer näher an die jeweiligen Aggregate appliziert werden, wodurch thermische (z.B. beim Verbrennungsmotor, E-Motor, Leistungselektronik,…), aber auch mechanische Belastungen (z.B. beim Getriebe) zunehmen. Zum anderem werden auch die Lebensdaueranforderungen an diese Systeme immer weiter verschärft. So müssen mittlerweile Teile der Elektronik selbst während der Standzeit des Fahrzeugs aktiv in Betrieb bleiben (z.B. bei Ladevorgängen im Fall von 'Vehicle-to-Grid' Konzepten), oder aber die aktive Betriebszeit (Fahrzeit) selbst erhöht sich drastisch, wie es bei neuen Carsharing-Konzepten zu erwarten ist. Dies erhöht insbesondere die Anforderungen an die Betriebsstunden der elektronischen Komponenten und Systeme massiv. Daher ist es notwendig, Zuverlässigkeitsaspekte schon möglichst zeitig in das Design neuer elektronischer Produkte mit einzubeziehen. Dies geschieht zum einem durch die numerische Simulation, zum anderen sind aber für Kalibrierungs- und Validierungszwecke auch experimentelle Zuverlässigkeitstests notwendig. Stand der Technik ist es, Einzelbelastungstests, wie beispielsweise reine Temperaturschocktests oder Vibrationstests, durchzuführen. Allerdings sind diese Tests sehr zeitaufwendig, insbesondere bei einer sequentiellen Durchführung verschiedener Belastungstests, und spiegeln zudem nur ungenügend die realen Belastungsszenarien wieder.

Eine potentielle und vielversprechende Alternative stellen kombinierte Belastungstests dar, wobei mehrere Stressfaktoren simultan auf die Testproben appliziert werden (Bild 1). Diese Tests können nicht nur die Realität besser abbilden und dadurch realistischere Fehlermechanismen provozieren, sondern sie bieten auch die Möglichkeit kostspielige Testzeiten erheblich zu reduzieren. Hierzu gehören beispielsweise Temperaturwechseltests, in denen die Prüflinge zusätzlich mechanisch angeregt (z.B. Vibrationsbelastung) sowie mit einer definierten Feuchteumgebung beaufschlagt werden, aber auch aktive Lastwechseltest kombiniert mit passiven Temperaturwechseln. Ziel dieser aktuellen Forschungsbemühungen ist es, die dabei zugrundeliegenden Alterungsprozesse, inklusiver der Wechselwirkungen zwischen den einzelnen Lastfaktoren, besser verstehen zu können.

Die Durchführung von Zuverlässigkeitstests erlaubt neben der statistischen Testauswertung und Interpretation sowie der Fehleranalytik auch das Aufstellen von Lebensdauermodellen. Hierbei kann grundsätzlich zwischen zwei Modell-Typen unterschieden werden:

• Analytisch-empirische Lebensdauermodelle
• Lebensdauermodelle basierend auf der Fehlerphysik (Physics-of-Failure, PoF)

Voraussetzung für die Generierung von analytisch-empirischen Modelle ist eine hinreichend große experimentelle Datenbasis, da diese strenggenommen auch den Gültigkeitsbereich der Modelle definiert. Auf dieser Basis können, bspw. unter Verwendung vorhandener Ansätze wie der Arrhenius- oder der Coffin-Manson-Beziehung, entsprechende Modelle und Modelparameter direkt aus den Testdaten abgeleitet werden (Bild 1). Diese Modelle haben den Vorteil, dass sie (eine entsprechende Datenbasis vorausgesetzt) schnell aufgestellt und hinreichend genau zur Vorhersage der Lebensdauer innerhalb des experimentellen Datenbereiches verwendet werden können. Nachteilig ist allerdings, dass diese Modelle bei (stark) veränderten Lastbedingungen bzw. bei abweichenden Prüflingstypen (geänderte Technologie, Materialien, Geometrie, …) ihre Gültigkeit verlieren können. Dies kann wiederum nur durch Lebensdauermodelle, welche auf der Fehlerphysik basieren - also unter Beachtung der tatsächlich auftretenden thermo-mechanischen Spannungen und Dehnungen, realisiert werden. Dies geschieht für gewöhnlich unter Einbeziehung von Simulationstechniken (siehe Modellierung und Simulation) sowie weiterer experimenteller Untersuchungen (siehe Analytik und Charakterisierung).

Aktuelle Forschungsschwerpunkte auf dem Gebiet der Lebensdauermodellierung liegen zum einem bei der Bestimmung und dem Vergleich von Beschleunigungsfaktoren zwischen verschiedenen Lebensdauertests sowie gegenüber dem Betriebsverhalten*. Zum anderen Zzielen derzeitige Forschungsbemühungen darauf ab, Methoden zur Abschätzung der Systemzuverlässigkeit basierend auf dem Verhalten der Einzelkomponenten unter Einbeziehung irreversibler Ausfallmechanismen* weiterzuentwickeln.