Термоциклирование в условиях тепловой перегрузки: ускоренные испытания надежности соединений чипов

Введение

Современные технологии монтажа кристаллов, такие как спекание серебра, диффузионная пайка и медные соединительные проводники, все чаще используются в силовых полупроводниковых приборах [1–4]. Их применение позволяет повысить надежность работы модулей в номинальных условиях или эксплуатировать их при повышенной температуре. Это приводит либо к увеличению плотности мощности, либо дает возможность использовать компоненты в более жестких тепловых режимах. Однако в реальных условиях описанные преимущества создают новые проблемы для квалификации силовых электронных модулей: повышение срока службы требует значительного увеличения длительности и стоимости испытаний, а также времени вывода на рынок новых продуктов, поскольку тестирование является неотъемлемой частью процесса разработки новой продукции [5]. Кроме того, если модуль эксплуатируется при повышенных рабочих температурах, то коэффициент ускорения испытаний на термоциклирование будет снижаться при соблюдении обычных температурных ограничений. Поэтому для ускорения процесса квалификации прибора приходится ужесточать условия тестирования.

Новый подход

Новый подход к ускоренным испытаниям в процессе разработки продукта проиллюстрирован на рис. 1: сначала проводятся обычные ускоренные тесты 1, в ходе которых основной механизм отказа исследуется и документируется стандартным образом. Далее процедура тестирования расширяется за счет коэффициента ускорения 2′, 3′, 4′ и 5′, затем происходит оптимизация конструкции и производственного процесса. Таким образом, каждый цикл разработки проходит намного быстрее, что значительно сокращает время вывода на рынок оптимизированного продукта 6. Однако следует позаботиться о том, чтобы базовый механизм отказа не изменялся и отвечал реальным условиям работы [6]. Поэтому необходимо тщательно изучить возможность адаптации условий ускоренных испытаний, например параметров термоциклирования сверх заданных тепловых ограничений.

Рис. 1. Ускоренная процедура квалификации

Термоциклирование в условиях тепловой перегрузки

Ресурсные модели показывают, что срок службы силовых электронных модулей зависит от многих параметров [3, 7], причем наибольшее влияние оказывает градиент температуры DT_vj. Поэтому испытания на термоциклирование при увеличенном значении DT_vj и в условиях тепловой перегрузки, то есть за пределами номинальных параметров, являются многообещающим подходом к сокращению времени квалификации компонента. Возможности данных исследований ограничены соединениями чипа, в частности его верхнего слоя: при подаче коротких импульсов тока можно ожидать, что повреждаться в первую очередь будут элементы структуры, подверженные большему перепаду температуры. Таким образом, тест с повышенным коэффициентом ускорения возможен без активации механизма отказа, например, в слое припоя, который испытывает умеренные колебания температуры из-за тепловой инерции.

Тестируемый прибор

Для исследований были изготовлены специальные инженерные образцы Si IGBT 650 В/200 А в стандартном корпусе (рис. 2) с максимально допустимой температурой кристаллов +175 °C. Нижняя сторона IGBT спечена с DCB-подложкой, верхняя сторона таким же образом соединена с буфером, содержащим восемь толстых медных проводников для подключения эмиттера. Также были дополнительно протестированы коммерческие модули с аналогичной номинальной мощностью (FS200R07N3E4R) и стандартными технологиями подключения (толстые алюминиевые проводники, паяные чипы). Для применения передовых методов оптических измерений, таких как мониторинг термомеханических деформаций с цифровой коррекцией изображения (DIC) [8, 9] и термография [10], половина инженерных образцов не имеет заливки силиконовым гелем.

Рис. 2. Испытуемый прибор (DUT): IGBT 650 В/200 A в стандартном корпусе с медной базой; новые технологии соединения чипов выделены зеленым цветом

Поскольку предлагаемый подход предназначен для непосредственного обнаружения деградации соединения верхнего слоя чипа на начальной стадии разработки, его можно использовать в качестве индикатора раннего отказа, позволяющего ускорить тест на термоциклирование без проверки окончания срока службы (EOL — End Of Life), критериями которого являются +5% V_CEsat или +20% R_th [6]. Такой ранний отказ, зафиксированный при термоциклировании, может быть экстраполирован на EOL с использованием физических моделей. Однако для этого необходимо точное понимание основного механизма выхода из строя, что особенно сложно при использовании новых технологий. Хотя данный альтернативный подход опубликован в [9, 10], в настоящей статье основное внимание уделяется вышеупомянутому ускорению EOL-тестов, как описано ранее.

Экспериментальная установка и результаты тестов

Как показывает опыт предыдущих испытаний (см. выше), сценарий разрушения верхнего соединительного слоя представляет собой постоянно растущую трещину в Al-металлизации между кристаллом и буферным слоем сварки. Такой же механизм должен запускаться при испытаниях на термо­циклирование в условиях тепловой перегрузки. В общей сложности в ходе этих исследований был проведен 41 тест, в том числе на восьми эталонных модулях со стандартным способом подключения кристаллов. Все испытания проводились при номинальном токе нагрузки (I_nom; для снижения DT_vj необходимо его небольшое уменьшение), а также при фиксированном времени включения и выключения, скорректированном один раз в начале теста.

Для повышения уровня потерь и достижения состояния тепловой перегрузки напряжение затвора V_GE каждого DUT настраивалось один раз перед началом испытаний на термоциклирование. Прогрессирующая деградация будет вести к дальнейшему росту потерь и, соответственно, градиента температуры. Соглано стандартной процедуре, увеличение напряжения насыщения V_CEsat на +5% используется в качестве индикатора отказа электрической цепи, а увеличение теплового сопротивления R_th на +20% указывает на повреждение тепловой цепи [6].

Сбор данных, как отмечено в [6], производился путем мониторинга перепада температуры чипа (от T_{vj_min} до T_{vj_max}) с помощью известного V_CE(T)-метода в сочетании с √t-методом [11] для оценки T_{vj_max} на каждом цикле. Напряжение насыщения V_{CE_sat} измерялось в конце импульса тока нагрузки, тепловое сопротивление R_th на каждом цикле определялось относительно температуры корпуса Т_с установкой термопары в радиаторе под центром чипа. Поскольку импульсы нагрузки были очень короткими, величина R_{thj_c} в большей степени представляет собой переходный тепловой импеданс.

Для того чтобы определить увеличение статического значения R_th всего теплового тракта, включая слой термопасты (TIM: 100 мкм DC340), тепловой импеданс измерялся один раз до и один раз после испытания на термоциклирование по отношению к температуре охлаждающей жидкости. Референтная температура T_a рассчитывалась в соответствии с [6] для модуля без базовой платы как средняя величина для жидкости на входе и выходе (определялись с помощью термопар). Во всех тестах использовался критерий отказа +5%V_CE__sat, тест на термоциклирование продолжался до тех пор, пока градиент DT_vj не увеличился на +20%.

Результаты теста на термоциклирование

Результаты теста на термоциклирование в условиях тепловой перегрузки при DT_vj = 170 K и обычном ускорении DT_vj = 90 K показаны на рис. 3a для инженерных образцов и на рис. 3б для эталонных модулей. Все испытания проводились при средней температуре кристаллов T_{vj_m} = +120 °C с использованием коротких импульсов тока нагрузки t_on = 0,5 с / t_off = 1,5 с. Чтобы увидеть, насколько изменился основной процесс деградации из-за тепловой перегрузки, нормализованные параметры цикла мощности каждого DUT отображаются вместе:

• у инженерных образцов (рис. 3a) критерий отказа +5% V_{CE_sat} всегда выполняется первым из-за непрерывного увеличения напряжения насыщения, подтверждающего рост трещины в Al-металлизации верхнего слоя. Как и предполагалось, этот процесс инициирует отказ во всех тестах. Кроме того, значения R_{thj_c} выглядят довольно близкими, даже учитывая большую разницу в количестве циклов до отказа N_f: R_{thj_c} не меняется до достижения порогового критерия отказа, затем тепловое сопротивление начинает увеличиваться, что указывает на дополнительные разрушения теплового пути, более выраженные при повышенных градиентах DT_vj.
• Эталонные модули (рис. 3б) демонстрируют иное поведение: при обычных ускоренных тестах наблюдаются перекрывающиеся механизмы деградации на верхней и нижней стороне чипа, выражающиеся в увеличении R_{thj_c,} V_{CE_sat}, а также DT_vj. Пороговое значение +5% V_{CE_sat} достигается скачком, что говорит об отрыве соединительных проводников. Напротив, в условиях тепловой перегрузки деградация, по-видимому, полностью смещается в сторону электрической цепи, на что указывает постоянное значение теплового сопротивления и увеличение напряжения насыщения. Также, в отличие от теста с меньшим коэффициентом ускорения, критерий +5%V_{CE_sat} достигается без скачка при плавном увеличении прямого напряжения, что говорит о смещении проблемных зон от слоя припоя и сварных соединений чипа к Al-металлизации на верхней стороне. Механизм образования больших зерен и пустот между ними в слое металлизации при высоком DT_vj хорошо изучен в IGBT-модулях со стандартными технологиями соединений [12]. Процесс реконструкции алюминия вызывает заметное увеличение сопротивления металлизации, но непосредственно не приводит к отрыву проводников, поскольку эффект реконструкции в зонах сварки обычно менее выражен [12].

Рис. 3. Сравнение нормализованных параметров термоциклов, полученных при тепловой перегрузке при ∆Tvj = 170 K и обычном ускоренном тесте при ∆Tvj = 90 K для инженерных образцов с новыми технологиями соединений чипов и эталонных модулей; Tvj;m = +120 °С; ton = 0,5 с; ton = 1,5 c; Iload ≈ 200A

Тепловой импеданс по отношению к температуре охлаждающей жидкости (рис. 3а), определенный в условиях тепловой перегрузки, показан на рис. 4. Сравнение переходного значения R_th, измеренного до и после термоциклирования, указывает на то, что чип близок к деградации в тепловой цепи, поскольку кривые расходятся. Статическое увеличение R_{thj_W} примерно на 11% больше измеренного переходного увеличения R_{thj_c} (+10%, рис. 3a), что также указывает на нарушение тепловой цепи вблизи чипа и исключает решающее влияние слоя TIM.

Рис. 4. Сравнение теплового импеданса одного инженерного образца до и после термоциклирования при тепловой перегрузке ∆Tvj = 170 K

Испытания при меньшем градиенте DT_vj выявили аналогичный, но несколько меньший рост R_{thj_W} (7–10%). Очевидно, что проведение ускоренных тестов на термо­циклирование в условиях тепловой перегрузки значительно сокращает их время. В случае инженерных образцов результаты, полученные для различных градиентов температуры, выглядят аналогично показанным на рис. 3а. Следовательно, можно ожидать, что доминирующий механизм отказа остается таким же. Микрографический анализ подтверждает, что предполагаемый сценарий был инициирован в процессе термоциклирования (см. далее). Однако для эталонных модулей механизм отказа в условиях тепловой перегрузки меняется, таким образом, предлагаемый подход справедлив только для компонентов с новыми технологиями соединения чипов.

Анализ

Микрофотографический анализ является наилучшим способом визуализации процесса деградации структуры чипов при термо­циклировании. Ранние проявления деградации можно выявить с помощью сканирующего электронного микроскопа (SAM), они подтверждаются измерением теплового импеданса (рис. 4). Помимо необходимых исследований причин отказов, сделан примерный статистический анализ для одной рабочей точки, позволяющий документировать основные процедуры, обязательные для квалификационных испытаний.

Анализ отказа

На рис. 5 показано микрографическое изображение инженерного образца, испытанного в условиях тепловой перегрузки (рис. 3а): на кромке чипа IGBT (рис. 5а) явно видна деградация Al-металлизации, что ожидаемо, в то время как соединительный слой спекания под кристаллом не поврежден. В центральной зоне (рис. 5б) наблюдается разрушение как металлизации, так и спеченного слоя. Второй эффект, тем не менее, был инициирован после достижения критерия EOL +5%V_{CE_sat} (рис. 3a). Таким образом, доминирующим механизмом отказа, очевидно, является деградация Al-металлизации на верхней стороне чипа, которая более выражена на его кромке. Однако небольшой рост теплового сопротивления R_th с увеличением DT_vj указывает на то, что существует некоторый предел градиента температуры, поскольку слой спекания может в свою очередь стать узким местом.

Рис. 5. Микрографический анализ инженерного образца после термоциклирования при тепловой перегрузке; ∆Tvj = 170 K; Tvj,m = +120 °С

На рис. 6 показано сравнение микрографических изображений чипа IGBT в инженерном образце, подвергшемся обычному ускоренному тесту (рис. 3а), с образцом, испытанным при тепловой перегрузке. В обоих случаях четко видна одна и та же картина деградации Al-металлизации чипа с неповрежденным слоем спекания под ним. При этом для достижения порога EOL у прибора, испытанного в условиях тепловой перегрузки, потребовалось в 35 раз меньшее количество термоциклов. Принимая во внимание тот факт, что при квалификационных испытаниях обычно используется большая длительность импульса, чем t_on = 0,5 с и t_off = 1,5 с, один тест при обычном режиме ускорения занимает несколько месяцев. С другой стороны, испытания на термоциклирование при тепловой перегрузке в сочетании с короткими импульсами нагрузки проходят в течение одного дня при сохранении основного механизма отказа. Это значительно снижает затраты на квалификацию модулей, в которых применены новейшие технологии соединения кристаллов.

Рис. 6. Сравнение микрографических изображений кромки чипа инженерного образца после термоциклирования при тепловой перегрузке и при нормальных условиях ускорения испытаний; ∆Tvj_m = +120 °C

Статистический анализ

Основным преимуществом анализа Вейбулла является способность получать достаточно точную статистику отказов и прогнозировать их при чрезвычайно малых размерах выборки [13], что позволяет эффективно тестировать компоненты и снижать финансовые и временные затраты. Поэтому он обычно применяется для статистических исследований результатов испытаний на термоциклирование [14], а также для испытаний на надежность в других технических сферах [13].

Математически статистическое распределение Вейбулла может быть рассчитано при размере выборки от одной до трех [13], но на практике предпочтителен больший размер. В соответствии с [6] для статистического анализа одной рабочей точки требуется по меньшей мере шесть выборок поврежденных элементов, имеющих одинаковый механизм отказа. В процессе разработки продукта в промышленной среде больший размер выборки благоприятен для получения достоверных статистических данных. Ускоренные испытания помогают сократить время тестирования и связанные с этим затраты.

Распределение Вейбулла описывается плотностью вероятности f(N_f, b, b) и совокупной вероятностью F(N_f, b, b) в соответствии с выражением, приведенным в [14]:

Совокупная вероятность соответствует количеству компонентов, которые уже вышли из строя. Масштабный коэффициент b, определяемый как характеристический срок службы, описывает количество циклов, после которых 1 – (1/e) = 63,2% испытуемых приборов (DUT) выйдет из строя (при F = 1 отказывают все DUT). Параметр b характеризует разброс распределения и тип отказа: для ранних отказов b < 1, для случайных отказов b = 1, для отказов EOL b > 1 в соответствии с [13]. Таким образом, при термоциклировании ожидаемое значение b > 1. Производная dF/dN_f дает функцию плотности вероятности:

На рис. 7 в качестве примера показано распределение Вейбулла для одной рабочей точки в условиях тепловой перегрузки с DT_vj = 170 K, T_{vj_m} = +120 °C, t_on = 0,5 с и t_off = 1,5 с. Шесть инженерных образцов, протестированных в данных условиях вплоть до EOL, вышли из строя с одинаковым механизмом отказа (см. выше). Хотя величина N_f определяется в результате испытаний на термоциклирование, для вычисления масштабного коэффициента b и параметра формы b распределения Вейбулла необходим особый подход к оценке параметров. В данном случае с этой целью была использована оценка максимального правдоподобия. Во всех тестовых пусках не было обнаружено никаких выбросов, ни один прибор не был исключен из статистики.

Рис. 7. Примерный анализ Вейбулла по результатам испытаний инженерного образца на термоциклирование в условиях тепловой перегрузки с ∆Tvj = 170 K

Относительно широкий разброс (b = 7:6) связан с тем, что исследовалась совокупность инженерных образцов, залитых гелем и без заливки, как описано выше. Модули без геля показали лучшие результаты при всех испытаниях на термоциклирование, чем модули с гелем. Хотя причина этого все еще находится в стадии расследования, такое наблюдение дает хороший пример применения нового подхода к ресурсным «сверхускоренным» испытаниям, которые можно использовать для оптимизации свойств гелевого наполнителя.

Ресурсная модель

На рис. 8 показаны результирующие данные по количеству циклов до отказа для инженерных образцов и эталонных модулей при средней температуре кристаллов T_{vj_ m} = +120 °С и времени включения/выключения тока нагрузки t_on = 0,5 / t_off = 1,5 с. На основе полученных данных выводится модель Коффина — Мэнсона, которая, в свою очередь, сравнивается с опубликованными ресурсными моделями — LESIT [15], CIPS 08 [7] и SKiM63 [3]. Очень важно учитывать условия тестирования, при которых были получены эти модели, поскольку математические экстраполяции могут быть физически некорректными [16]. Например, для модели SKiM 63 тесты на термоциклирование были проведены только с градиентами температуры в диапазоне 64–113 К (рис. 8).

Рис. 8. Результаты испытаний на термоциклирование при Tvj_m = +120 °C, ton = 0,5 с, toff = 1,5 с. Выведена модель Коффина — Мэнсона: C1 = 4,8×1017; n = 5,9 и сопоставимые эталонные модели

Влияние t_on

Можно ли значительно сократить количество циклов до отказа, используя более длинные импульсы тока нагрузки? Для ответа на этот вопрос были проведены испытания на термоциклирование в условиях тепловой перегрузки при t_on = 1,5 с, результаты которых сравнивались с предыдущими; итог показан на рис. 9.

Рис. 9. Влияние t_on

Очевидно, что снижение длительности импульса нагрузки является эффективным средством сокращения времени квалификации соединений чипов — в особенности когда они обладают очень высокой теплопроводностью, что имеет место для кристаллов с двухсторонним серебряным спеканием (см. выше). Удивительно, но использование более длинных импульсов, по-видимому, немного увеличивает количество циклов до отказа. Это наблюдение может быть чисто статистическим, поскольку влияние такого небольшого изменения t_on на N_f относительно невелико, и исследовалось малое количество образцов.

Более вероятно, что этот эффект вызван изменением способов определения виртуальной температуры чипа: значение T_vj, полученной с использованием метода V_CE(T), приблизительно равно средней температуре по активной поверхности кристалла, связанной с его площадью, и в условиях теплового равновесия [17]. Однако для коротких импульсов (≤ 1 с) боковые градиенты T_j могут развиваться не так сильно, как для длинных [7]. Поэтому результаты физического определения T_vj на основе V_CE(T)-метода будут разными при очень коротких и длинных импульсах нагрузки, что влияет на сопоставимость результатов ресурсных тестов.

Влияние T_{vj_m}

Влияние средней температуры чипов T_{vj_m} на срок службы может быть учтено в ресурсной модели путем добавления правила Аррениуса к закону Коффина — Мэнсона, который в отношении инженерных образцов в основном реализует модель LESIT:

где E_A — энергия активации в эВ; k_B — постоянная Больцмана в эВ/К; T_{vj_m} — средняя виртуальная температура кристалла в °C. Для подтверждения этого были проведены испытания на термоциклирование в условиях тепловой перегрузки с переменным значением T_{vj_m} и фиксированным градиентом DT_vj = 150 K, а также рассчитана энергия активации E_A для расширения надежностной модели (рис. 8). Зависимость T_{vj_m}, в свою очередь, сравнивается с опубликованными моделями. Результаты представлены на рис. 10.

Рис. 10. Влияние T_{vj_m}

Известное в промышленности эмпирическое правило гласит о том, что увеличение средней температуры на 10 К вдвое сокращает срок службы электроники, и это справедливо для старых IGBT 90-х годов, как и описано в модели LESIT (рис. 10б). Деградация используемого в них паяного слоя чипов выявляет гораздо более выраженную зависимость T_{vj_m}, чем отказы соединительных проводников [18, 19]. Однако внедрение новых технологий, главным образом в области соединения кристаллов, отменило это эмпирическое правило в отношении современных силовых модулей IGBT 2000-х и более поздних лет выпуска, что отражено в модели CIPS08.

Срок службы новейших полупроводниковых приборов в меньшей степени связан с температурным режимом. Дальнейшие инновации, такие как использование спекания серебра для монтажа чипов, еще больше снижают зависимость ресурса модуля от T_{vj_ m}, что описано в модели SKiM63, а также подтверждено данными исследованиями. Объяснение этому дано в [20] — жесткость спеченных Ag-соединений снижается с повышением температуры, что приводит к меньшей пластической деформации. Это свойство, однако, очень сильно зависит от параметров технологического процесса [20], что дает еще один хороший пример применения теста на термоциклирование при тепловой перегрузке для оптимизации технологического процесса.

Заключение

В статье представлены испытания на термоциклирование инженерных образцов силовых ключей с применением новейших технологий монтажа чипов и коммерческих стандартных модулей, используемых в качестве эталона. Полученные результаты подтверждают высокую стойкость образцов к циклическому изменению нагрузки: этот показатель у них оказался примерно в 10 раз выше, чем у эталонных модулей, что побуждает к поиску способов ускорения EOL-испытаний. Предложен подход, предусматривающий испытания на термоциклирование в условиях тепловой перегрузки в сочетании с короткими импульсами нагрузки. Это позволило сократить время тестирования соединений кристаллов с нескольких месяцев до одного дня без изменения основного механизма отказа, что подтверждено анализом отказов.

Предлагаемая методика ускоренных испытаний позволяет значительно сократить затраты на квалификацию и время вывода на рынок новых продуктов и инновационных производственных процессов. Дополнительные исследования показали, что современные силовые модули, созданные с применением новейших технологий, в частности спекания серебра для монтажа кристаллов, в меньшей степени подвержены воздействию высоких температур. Это имеет важное значение для тех областей применения, где силовые конвертеры работают в жестких тепловых режимах, например в приводах гибридо- и электромобилей.

Проведенные исследования продемонстрировали, что увеличение T_{vj_m} во время ускоренных испытаний современных силовых приборов не приводит к значительному сокращению времени квалификации, как это было для модулей предыдущих поколений. Как следствие, увеличение градиента DT_vj при использовании коротких импульсов нагрузки является наиболее подходящим методом ускорения EOL-теста в тех случаях, когда нужно квалифицировать новые технологии соединения кристаллов. Кроме того, показано, что закон Коффина — Мэнсона хорошо работает в качестве ресурсной модели на этапе разработки и оптимизации продукта, а также при проведении ускоренных ресурсных испытаний.

При использовании надежностных моделей для оценки срока службы силовых ключей в конкретном применении следует дополнительно учитывать влияние средней температуры кристаллов T_{vj_m}, а также других факторов. Проведенные исследования выявили некоторые ограничения, связанные с тем, что при испытаниях эталонных модулей в условиях тепловой перегрузки доминирующий механизм деградации изменяется. Таким образом, новый подход к ускоренным испытаниям справедлив в первую очередь для оценки новейших технологий монтажа чипов. В отношении стандартных модулей прежних поколений его применимость должна быть проверена отдельно.

Прогнозы

Вопросы корпусирования становятся еще более важными в отношении широкозонных полупроводников: чтобы максимально использовать их возможности в части высоких скоростей переключения и расширенного температурного диапазона на системном уровне, необходимы низкоиндуктивные и высоконадежные корпуса. Что касается SiC MOSFET, то повышенная жесткость карбидокремниевых чипов еще больше усложняет их подключение, поскольку при термоциклировании возникает большая пластическая деформация по сравнению с кремнием. Разработка дальнейших усовершенствований и технологий монтажа SiC MOSFET может быть ускорена благодаря появлению новых методик тестирования и квалификации. Таким образом, цель состоит в том, чтобы распространить предлагаемый подход на SiC MOSFET.