In dieser Arbeit wurde eine neue fehleranalytische Methode zur industriellen Anwendung an neuen Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt. Das Verfahren basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen und Defekten. Die Besonderheit ist dabei die Zerstörungsfreiheit, die Geschwindigkeit, das Auflösungsvermögen und die durch neueste IR-Detektoren erreichte Temperaturempfindlichkeit. Es wurden grundlegende Studien bezüglich Auflösung und parasitären Effekten bei der Anwendung unter industriellen Randbedingungen durchgeführt. Dabei wurde eine systematische Vorgehensweise bezüglich der Komplexität gewählt. Dies ermöglicht nun u.a. eine Vorhersage der zu erwartenden Prüfdauer zur Auflösung vergrabener Defekte, der Begrenzung der maximalen Anregungsimpulsbreite (bei gegebener Defekttiefe) und die quantitative Ermittlung des Einflusses einer Lackschicht. Methodisch kamen grundsätzlich Simulationen und vergleichende Experimente zum Einsatz. Es wurden spezielle Proben zur Isolierung und Klärung parasitärer Effekte verwendet. Letztlich konnte das Messsystem erfolgreich an industriellen Problemstellung demonstriert werden. Das entwickelte Messsystem zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus. Verschiedene problemangepasste Anregungsquellen (interne und externe Anregung durch zahlreiche physikalische Effekte) kommen zum Einsatz. Das Messsystem besteht aus vier Hauptmodulen, der Differenzbild-Methode, der Impulsthermografie, und zwei Varianten der LockIn-Thermografie. Zusammen ist das System in der Lage, Voids, Delaminationen und Risse in verschiedenen Bereichen auch der modernen AVT sicher zu erkennen. Es werden dabei Temperaturauflösugnen bis zu 5 mK und laterale Auflösungen bis 17 µm erreicht. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Anwendung der thermischen Fehleranalytik in der Industrie, indem hier die Grenzen der IR-Messtechnik aufgezeigt und charakterisiert werden. / In this work a new failure analytical method for the industrial application of new technologies in electronic packaging has been developed. The developed method is based on the interaction of the thermal waves and defects. The special fature is non-destructive, speed, resolution and high temperature sensitivity due to latest IR-detectors. It fundamental studies regarding resolution and parasitic effects in the application were carried out cinsidering industrial conditions. Here, a systematic approach regarding the complexity has been selected. This now enables a prediction of the expected test period for detecting buried defects, limits for excitation pulse width (for a given defect depth) and the quantitative determination of the influence of parasitic paints. Methodically always simulations and comparative experiments were used. Simple samples for the isolation and purification of parasitic effects has been used. Finally, the measurement system has been successfully demonstrated on an industrial applications. The developed measurement system is characterized by high flexibility. Different problem-adapted excitation sources (internal and external excitation by numerous physical effects) are used. The measurement system currently consists of four main modules, the difference image method, the pulse thermography, and two variants of LockIn-thermography. Together, the system is capable of detecting voids, delaminations and cracks in various fields of electronic packageing. It will reach temperature resolutions up to 5 mK and lateral resolutions down to 17 µm. This work stes a foundation for the application of thermal failure analysis for industry by showing and charcterization the limits of IR imaging.

Gesintertes Silber (SAG) stellt eines der vielversprechendsten Materialien für Hochtemperaturanwendungen in der Leistungselektronik dar. Im Vergleich zu konventionellen Loten sind die mechanischen und thermischen Vorteile enorm, allerdings hochgradig prozessabhängig. Zusammen mit den relativ zeitintensiven Ermüdungstestmethoden ist das die Ursache, dass es aktuell nur wenige Lebensdauermodelle dazu gibt. In dieser Arbeit wird am Beispiel solcher SAG-Proben ein mechanisch beschleunigter, isothermer Biegeversuch vorgestellt, welcher das Potenzial hat, die zeitkritischen Temperatur- oder Lastwechselversuche zu ersetzen. Zum Vergleich wurde ein Temperaturwechseltest als Referenzversuch durchgeführt. Hierzu wird zunächst der Stand der Technik des Silber-Sinterns aufgezeigt, wobei der Schwerpunkt auf der mechanischen Materialcharakterisierung liegt.Wo das elastische Verhalten als näherungsweise allein porositätsabhängig gelten kann, ist die inelastische Dehnung noch unzureichend untersucht. Besonders die zeitabhängige inelastische Dehnung (Kriechen) zeigt noch kein vollständig konsistentes Bild, wodurch auch die Fehlermechanismen und deren Gewichtung noch nicht grundsätzlich als geklärt gelten können. Die gängigsten Belastungstests, welche in der Literatur zu finden sind, haben schwerwiegende Nachteile. Der hohe Zeitbedarf, die teils schwer quantifizierbaren Fehlerparameter und die fehlende Einstellmöglichkeit des Verhältnisses Kriechdehnung zu plastischer Dehnung sind hier im Besonderen zu nennen. Der rein dehnungsgesteuerte Biegeversuch hat diese Nachteile nicht. Über die Biegegeschwindigkeit ließe sich der Kriechanteil nahezu beliebig erhöhen (ggf. unter Nutzung von Haltezeiten). Die Biegeversuche wurden isotherm bei fünf Temperaturen von 22◦C bis 125◦C mit je drei Amplituden und drei Biegegeschwindigkeiten durchgeführt. Schlecht gesinterte Proben machten sich reproduzierbar als Frühausfall bemerkbar, so dass sich die Methode bereits gleich zu Beginn als hervorragender Qualitätstest bewährte. In puncto Ermüdung konnte ein stabiles und reproduzierbares Ausfallverhalten in Form von vergleichbaren Weibull-Formfaktoren und Ausfallbildern in den metallografischen Schliffen gefunden werden. Mit den Daten der Biegeversuche wurde ein fehlerphysikalisches Lebensdauermodell (Coffin-Manson) aufgestellt, welches erfolgreich den Ausfall des Temperaturwechseltests als Referenzversuch vorhersagen konnte. / Sintered silver (SAG) as die attach material is one of the promising solutions to exploit the advantages of high-gap semiconductors in power electronics. The mechanical and thermal properties are far superior to solders, but severely process-dependent. Combined with the time requirements of the state of the art (SoA) fatigue test methods this is most likely the reason for the lack of profound reliability studies yet. This thesis presents an isothermal bending test, which has the ability to replace the time-consuming thermal shock test as primary fatigue experiment for physics of failure based (PoF) lifetime models. A benchmark against a conventional thermal cycling test was done. The state of the art of the silver-sintering technique will be given with focus on the mechanical material characterization. While the elastic properties are mostly porosity-dependent, the inelastic properties are insufficiently examined yet. Especially the creep does not show a consistent image, what leads to many questions regarding the failure mechanism. The most common fatigue tests in the literature do have serious disadvantages. The time-consumption is high, the failure parameter can hardly be quantified and the ratio of plasticity to creep cannot be adjusted easily. The pure mechanical bending test does not have those disadvantages. By changing the bending-speed and the addition of holding times, the creep can be adjusted almost at will. The bending-experiments were conducted at five different temperatures between 22°C and 125°C and with three bending amplitudes as well as three speeds. Insufficiently sintered samples could be identified very early. This already proofed the value of the test as a quality test. Furthermore, a stable and repeatable fatigue behaviour could be observed, what was given by stable Weibull-exponents and repeatable cross sections. A lifetime-model was established by usage of the bending-test-data, what eventually predicted successfully the lifetime of a thermal cycling reference test.

In dieser Arbeit wurde eine neue fehleranalytische Methode zur industriellen Anwendung an neuen Technologien der Aufbau- und Verbindungstechnik entwickelt. Das Verfahren basiert auf der Wechselwirkung von thermischen Wellen und Defekten. Die Besonderheit ist dabei die Zerstörungsfreiheit, die Geschwindigkeit, das Auflösungsvermögen und die durch neueste IR-Detektoren erreichte Temperaturempfindlichkeit. Es wurden grundlegende Studien bezüglich Auflösung und parasitären Effekten bei der Anwendung unter industriellen Randbedingungen durchgeführt. Dabei wurde eine systematische Vorgehensweise bezüglich der Komplexität gewählt. Dies ermöglicht nun u.a. eine Vorhersage der zu erwartenden Prüfdauer zur Auflösung vergrabener Defekte, der Begrenzung der maximalen Anregungsimpulsbreite (bei gegebener Defekttiefe) und die quantitative Ermittlung des Einflusses einer Lackschicht. Methodisch kamen grundsätzlich Simulationen und vergleichende Experimente zum Einsatz. Es wurden spezielle Proben zur Isolierung und Klärung parasitärer Effekte verwendet. Letztlich konnte das Messsystem erfolgreich an industriellen Problemstellung demonstriert werden. Das entwickelte Messsystem zeichnet sich durch hohe Flexibilität aus. Verschiedene problemangepasste Anregungsquellen (interne und externe Anregung durch zahlreiche physikalische Effekte) kommen zum Einsatz. Das Messsystem besteht aus vier Hauptmodulen, der Differenzbild-Methode, der Impulsthermografie, und zwei Varianten der LockIn-Thermografie. Zusammen ist das System in der Lage, Voids, Delaminationen und Risse in verschiedenen Bereichen auch der modernen AVT sicher zu erkennen. Es werden dabei Temperaturauflösugnen bis zu 5 mK und laterale Auflösungen bis 17 µm erreicht. Diese Arbeit legt einen Grundstein für die Anwendung der thermischen Fehleranalytik in der Industrie, indem hier die Grenzen der IR-Messtechnik aufgezeigt und charakterisiert werden. / In this work a new failure analytical method for the industrial application of new technologies in electronic packaging has been developed. The developed method is based on the interaction of the thermal waves and defects. The special fature is non-destructive, speed, resolution and high temperature sensitivity due to latest IR-detectors. It fundamental studies regarding resolution and parasitic effects in the application were carried out cinsidering industrial conditions. Here, a systematic approach regarding the complexity has been selected. This now enables a prediction of the expected test period for detecting buried defects, limits for excitation pulse width (for a given defect depth) and the quantitative determination of the influence of parasitic paints. Methodically always simulations and comparative experiments were used. Simple samples for the isolation and purification of parasitic effects has been used. Finally, the measurement system has been successfully demonstrated on an industrial applications. The developed measurement system is characterized by high flexibility. Different problem-adapted excitation sources (internal and external excitation by numerous physical effects) are used. The measurement system currently consists of four main modules, the difference image method, the pulse thermography, and two variants of LockIn-thermography. Together, the system is capable of detecting voids, delaminations and cracks in various fields of electronic packageing. It will reach temperature resolutions up to 5 mK and lateral resolutions down to 17 µm. This work stes a foundation for the application of thermal failure analysis for industry by showing and charcterization the limits of IR imaging.

Lastwechseltests stellen eine standardisierte und etablierte Methode zur Zuverlässigkeitsbewertung und Produktqualifizierung in der Leistungselektronik dar. Sie basieren auf der Applikation von wiederkehrenden Laststromimpulsen, welche im Leistungsbauelement in zyklischen Temperaturschwankungen umgesetzt werden. Die dabei induzierten thermo-mechanischen Spannungen, hervorgerufen durch die unterschiedlichen Werkstoffeigenschaften der im Verbundsystem beteiligten Fügepartner, führen letztendlich zu den typischen Versagensmechanismen in der Aufbau- und Verbindungstechnik. Herkömmliche Lastwechseltests bilden allerdings die komplexen Belastungssituationen unter Feldbedingungen, in welchen unterschiedliche Lastfaktoren simultan auftreten, nur ungenügend nach. Im Kontext der Einführung neuartiger Bauelement- und Package-Technologien, rauer werdenden Umgebungsbedingungen sowie steigenden Zuverlässigkeits- und funktionalen Sicherheitsanforderungen ergibt sich somit der Bedarf an verbesserten Methoden zur Zuverlässigkeitstestbewertung. Ein möglicher Ansatz besteht in der Kombination verschiedener Belastungsarten, mit dem Ziel, Testeffizienz sowie Testabdeckung zu erhöhen. Im Rahmen dieser Arbeit wurden daher unter Verwendung eines selbstentwickelten Lastwechselteststandes systematische Lastwechseltestuntersuchungen, sowohl in standardmäßiger Ausführung als auch mit überlagerten passiven Temperaturzyklen, an diskreten Leistungsbauelementen durchgeführt. Neben der Untersuchung unterschiedlicher Sperrschichttemperaturprofile erfolgte auch ein Vergleich unterschiedlicher Bauelementtypen. Auf Basis einer qualitativen und quantitativen Testauswertung wurden belastungsbasierte Lebensdauermodelle aufgestellt. Dabei zeigte sich, dass die den Standard-Lastwechseltests zugrunde-liegenden Lebensdauermodelle nicht die Testergebnisse der überlagerten Lastwechseltests vorhersagen konnten. Die Ursache dafür lag im temperaturabhängigen Werkstoffverhalten der Moldmasse begründet, welches Einfluss auf den dominierenden Fehlermodus Bonddrahtabheber hat. Daher wird die Verwendung von fall-sensitiven Lebensdauermodellen vorgeschlagen, da somit die veränderte Schädigungsphysik beim Überschreiten des Glasüberganges der Moldmasse berücksichtigt werden kann. Darüber hinaus wird in dieser Arbeit eine neue Methode zur optischen in-situ-Untersuchung von Leistungsbauelementen vorgestellt, welche zukünftig die Untersuchung von thermisch-transienten sowie thermo-mechanischen Vorgängen unter aktiver Belastung erlaubt.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis / Active power cycling tests represent a standardized and well-established method for reliability evaluation and product qualification in power electronics. They are based on the application of recurring load current pulses, which are converted into cyclic temperature swings in the power component. The thereby induced thermo-mechanical stress, caused by the different material properties of the joining partners involved in the composite system, ultimately leads to the typical failure modes and mechanisms in the devices. However, these conventional tests do not sufficiently stimulate the complex load schemes in field operations in which different load factors occur simultaneously. In the context of the introduction of novel device and package technologies, increasingly harsh environmental operation conditions as well as increasing reliability and functional safety requirements, there is a need for improved reliability test methods. One possible approach is the combination of different load factors in order to increase test efficiency and test coverage. Within the scope of this thesis, systematic reliability investigations, including standard power cycling tests as well as power cycling tests superimposed with passive thermal cycles, were therefore carried out on discrete power components using a self-developed test rig. In addition to the investigation of different junction temperature profiles, a comparison of different component types was performed. On the basis of a qualitative and quantitative test evaluation, load-based lifetime models were derived. It was found that the lifetime models determined on the basis of the standard power cycling tests could not predict the test results of the superimposed power cycling tests. The reason for this was the influence of the temperature-dependent material behaviour of the moulding com-pound, which has an influence on the failure mode wire-bond lift-off. Based on these findings, the use of case-sensitive lifetime models is suggested that are able to take the changed damage physics into account. In addition, a new method for the optical in-situ investigation of moulded power devices is presented, which allows the investigation of thermal-transient as well as thermo-mechanical processes in the package under active loading conditions.:Symbol- und Abkürzungsverzeichnis Danksagung Kurzfassung Abstract 1 Einleitung 1.1 Motivation 1.2 Fokus und Ziel der Arbeit 2 Grundlagen zur Leistungselektronik und zu ihrer Zuverlässigkeitsbewertung 2.1 Aufbau typischer Leistungselektronikkomponenten und Module 2.1.1 Leistungsklassen und klassische Aufbauvarianten 2.1.2 Leistungshalbleiter 2.1.3 Substrattechnologien für Leistungsmodule 2.1.4 Verbindungstechniken in Leistungselektronikmodulen 2.1.4.1 Chipflächen- und Baugruppenkontaktierung 2.1.4.2 Chipanschlusskontaktierung 2.1.4.3 Kühlkörperanbindung 2.1.5 Verkapslungskonzepte 2.1.6 Kühlkonzepte in der Leistungselektronik 2.2 Typische Fehlermodi und -mechanismen 2.3 Lebensdauerbewertung von Leistungselektronik0 2.3.1 Globale Ansätze zur Produktqualifizierung und Zuverlässigkeitsbewertung0 2.3.2 Lebensdauertests in der Leistungselektronik 2.3.2.1 Überblick und Einordnung von Lastwechseltests 2.3.2.2 Testkonzepte und -strategien 2.3.3 Lebensdauermodellierung 3 Neue methodische Ansätze und Prüfstandsentwicklung 3.1 Überlagerung von aktiven Lastwechseln mit passiven Temperaturzyklen 3.2 Entwicklung und Aufbau eines Lastwechselprüfstandes zur Untersuchung von überlagerten Belastungstests 3.2.1 Konzeption 3.2.2 Kühlkörper-Design 3.2.3 Steuer- und Auswertesoftware 3.2.4 Lastwechselteststand 3.2.5 Messprozedur 3.2.6 Validierung der Tvj-basierten Temperaturmessung 3.3 Optisches In-situ-Monitoring während Lastwechseltests 3.3.1 Testaufbau und Probenpräparation 3.3.2 IR-Messungen an angeschliffenem Prüfling 4 Prüfgegenstände, Testplanung und Testdurchführung 4.1 Auswahl und Übersicht der Prüflinge 4.2 Testkonzeption und Versuchsplanung 4.2.1 Lastwechseltests 4.2.2 Temperaturschocktests 4.3 Testaufbau und -durchführung 4.3.1 Lastwechseltests 4.3.2 Temperaturschocktests 5 Testergebnisse 5.1 Messdatenanalyse und Auswerteprozedur 5.2 Statistische Testauswertung 5.2.1 Übersicht über Testergebnisse 5.2.2 Weibull-Verteilungen 5.3 Fehleranalytik 5.3.1 Bonddrahtausfälle 5.3.2 Lotdegradation 5.4 Optische In-situ-Analyse während aktiver Belastung 5.4.1 Methodik 5.4.2 Verschiebungsfelder in Abhängigkeit von ∆Tvj und Tvj,m 5.4.3 Einfluss der Einschaltzeit ton auf Verschiebungsfelder 5.4.4 Ableitung der Dehnungsfelder und Ergebnisdiskussion 6 Lebensdauermodellierung 6.1 Belastungsbasierte Lebensdauermodelle 6.1.1 Lebensdauerdiagramme und -einflussfaktoren 6.1.2 Multiple lineare Regression 6.1.3 Berücksichtigung der effektiven Temperatur T(v)j,eff 6.1.4 Vergleich der Lebensdauermodelle mit überlagerten Testergebnissen 6.1.5 Zusammenfassung 146 6.1.6 Einordnung der ermittelten Lebensdauermodelle 6.2 FE-Analyse zur Validierung der Ergebnisse aus der Lebensdauermodellierung 7 Zusammenfassung und Ausblick Literaturverzeichnis Abbildungsverzeichnis Tabellenverzeichnis