Achieving the utmost reliability of power semiconductors is an ongoing challenge for the scientists and engineers in the packaging community of the industry and research institutions. Still the semiconductor and therefore the function of the power module could live longer, when only the bonding and joining technologies would be more stable against power and temperature cycling wearout. In particular, the conventional electrical connection to the top and bottom surface of the semiconductor is limiting the lifetime due to degradation. For both, the solder layer under the backside and the Al-wire on the topside of the die, it is necessary to develop new contact technologies, as the substitution of just one connection does not perform the required reliability of the module.
In this work, different new technologies for power modules were evaluated and an own development is presented. Especially the new development is characterized by an outstanding reliability while keeping the design flexibility of the currently applied methods. To achieve that, the solder joints were replaced by Ag-sintered connections and Cu-wires were bonded as a substitute of Al-wires. This new approach is called DBB-Technology („Danfoss BondBuffer“) and is demonstrated in the example of a 1700V DBB power module.
With the help of this technology sintering creates two joints: One between the bottom of die and the substrate and between the die and a thin Cu-foil, which is located on top. This Cu foil (BondBuffer) enables the Cu-bond process as top contact technology without damaging the semiconductor. The DBB Cu foil acts as an absorber for the high bond-forces.
The detailed characterization of a DBB-covered semiconductor module reveals an extraordinary high reliability improvement, enhanced thermal impedance and upgraded electrical properties. / Leistungsmodule unterliegen in der Anwendung vielfältigen, kombinierten Beanspruchungen, die je nach Anwendung eine Herausforderung an unterschiedliche Verbindungsstellen im Modul darstellen.
Die Betriebsdauer eines Leistungsmoduls wird im Wesentlichen von den halbleiternahen Aufbau- und Verbindungstechniken limitiert. Das geht z.B. aus umfangreichen Lastwechseluntersuchungen hervor, in denen als Fehlermechanismen die Zerrüttung des Lots unter dem Chip oder das Abheben des Aluminium-Bonddrahts vom Halbleiter identifiziert wurden. Die einzelnen Verbindungsschichten im Leistungsmodul bilden eine Funktionskette, die beim Ausfall nur eines Gliedes die gesamte Funktionalität verliert. Maßnahmen zur Optimierung einzelner Schichten, z. B. der Halbleiter-Substrat-Verbindung oder nur der oberseitigen Chipkontaktierung, bringen alleinstehend also nicht den gewünschten Erfolg.
In dieser Arbeit werden unterschiedliche Aufbaukonzepte leistungselektronischer Module aus Fachveröffentlichungen verglichen, bevor das eigene Konzept beschrieben wird. Die Lösung basiert dabei auf innovativen und sehr robusten Fügetechnologien, die gezielt herkömmliche Verbindungen im Aufbau ersetzen. Das Ergebnis ist ein Leistungsmodul mit verbesserten thermischen, elektrischen und thermo-mechanischen Eigenschaften.
Eine wesentliche Rolle spielt dabei das Silbersintern als Alternative zum Löten. Dank der Sintertechnik geht der Halbleiter eine hochfeste Verbindung mit dem Substrat ein. Darüber hinaus ermöglicht die Sintertechnologie das stoffschlüssige Verbinden einer dünnen Kupferfolie mit der oberen Halbleitermetallisierung. Diese Kupferfolie ist erforderlich, um das Cu-Drahtbonden für die oberseitige Kontaktierung der Halbleiter anzuwenden, ohne diesen aufgrund hoher Bondkräfte zu zerstören. Dank der vorteilhaften Materialeigenschaften ist die Cu-Bondverbindung deutlich leistungsfähiger als eine Al-Bondverbindung.
Diese Kombination aus robusten Fügestellen trägt den Namen DBB-Technologie
(„Danfoss BondBuffer“) und soll zukünftig dank der Verfügbarkeit sinterbarer Halbleiter in hochzuverlässigen Leistungsmodulen angewendet werden.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:DRESDEN/oai:qucosa.de:bsz:ch1-qucosa-183012 |
| Date | 03 November 2015 |
| Creators | Becker, Martin |
| Contributors | TU Chemnitz, Fakultät für Elektrotechnik und Informationstechnik, Prof. Dr. Josef Lutz, Prof. Dr. Josef Lutz, Prof. Dr. Ronald Eisele |
| Publisher | Universitätsbibliothek Chemnitz |
| Source Sets | Hochschulschriftenserver (HSSS) der SLUB Dresden |
| Language | deu |
| Detected Language | German |
| Type | doc-type:doctoralThesis |
| Format | application/pdf, text/plain, application/zip |
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