Evaluation of the Magnetic Field Signature as a Potential Parameter for Power Semiconductor Degradation Detection

Wolff, Michael Wilhelm (2023)
Evaluation of the Magnetic Field Signature as a Potential Parameter for Power Semiconductor Degradation Detection.
Technische Universität Darmstadt
doi: 10.26083/tuprints-00023115
Dissertation, Erstveröffentlichung, Verlagsversion

URL / URN: https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23115

Kurzbeschreibung (Abstract)

This work investigates the viability of using the spatial magnetic flux density distribution caused by a semiconductors load current as a parameter to detect degradation of its bond wires and solder joinings. Utilizing a 3D FEM model of a singular IGBT on DCB, simulations of the B-field distribution for samples with intact and partially interrupted solder layer are conducted. The simulation results show that the partial interruption affects the B-field above the bond wires due to a redistribution of the load current. This is confirmed by measurements of the magnetic flux density distribution conducted on samples with identical structure to the model.

Utilizing power cycling tests, 40 additional IGBT samples were artificially aged. The observed degradation mechanisms are bond wire lift-off with varying severity as well as strong vertical solder crack propagation emanating from the chips centre area. Measurements conducted for all aged samples show that the observed type of solder crack pattern has no significant influence on the B-field distribution above the semiconductor. Therefore a detectability using the proposed method can be ruled out. Regarding bond wire lift-offs it is shown that, besides the detection, a localisation as well as an identification is possible.

Finally, a method for the determination of the bond wire current distribution is investigated. For this, an analytical model of the spatial magnetic flux density distribution, caused by the current flow in multiple bond wire loops, is derived. Utilizing said model in combination with discrete B-Field measurements, an optimisation approach is presented for the identification and localisation of bond wire lift-offs based on deviations in the estimated current distribution. A first viability analysis shows that the approach is capable to identify and localize bond wire lift-offs within the artificially aged samples.

Typ des Eintrags:

Dissertation

Erschienen:

2023

Autor(en):

Wolff, Michael Wilhelm

Art des Eintrags:

Erstveröffentlichung

Titel:

Evaluation of the Magnetic Field Signature as a Potential Parameter for Power Semiconductor Degradation Detection

Sprache:

Englisch

Referenten:

Griepentrog, Prof. Dr. Gerd ; Basler, Prof. Dr. Thomas

Publikationsjahr:

2023

Ort:

Darmstadt

Kollation:

XVII, 109 Seiten

Datum der mündlichen Prüfung:

13 Dezember 2022

DOI:

10.26083/tuprints-00023115

URL / URN:

https://tuprints.ulb.tu-darmstadt.de/23115

Kurzbeschreibung (Abstract):

Alternatives oder übersetztes Abstract:

Alternatives Abstract

Sprache

Die vorliegende Arbeit untersucht die durch den Laststrom verursachte Magnetfeldverteilung um einen Leistungshalbleiter hinsichtlich ihrer Eignung zur Erkennung von Schädigungen der Aufbau-Verbindungs-Technik. Unter Verwendung eines 3D FEM Modells wird die B-Feld Verteilung um einen IGBT auf DCB simuliert. Die betrachteten Fälle sind dabei der intakte Zustand sowie mit eingefügter Unterbrechung der Lotschicht. Die Ergebnisse zeigen, dass eine derartige Unterbrechung einen Einfluss auf die B-Feld Verteilung oberhalb der Bonddrähte hat, was auf eine Umverteilung des Laststromes zurückzuführen ist. Messungen, welche an IGBT Aufbauten mit identischer Struktur durchgeführt wurden bestätigen die Simulationsergebnisse.

Durch aktive Lastwechseltests wurden 40 IGBT Aufbauten künstlich gealtert. Die festgestellten Schädigungen umfassen neben Bonddrahtabhebern unterschiedlicher Ausprägung, starke vertikale Rissbildungen im Lot. Messungen des B-Feldes zeigen, dass das die vorliegenden Rissstrukturen des Lots keinen Einfluss auf die Magnetfeldverteilung oberhalb der Bonddrähte haben. Somit kann deren Detektierbarkeit durch das betrachtete Verfahren ausgeschlossen werden. Bezüglich der Bonddrähte wird gezeigt, dass neben der Erkennung auch eine Lokalisierung, sowie die Identifikation möglich ist (teilweise oder komplett).

Abschließend wird die Bestimmung der Bonddraht-Stromverteilung betrachtet. Zu diesem Zweck wird ein analytisches Modell hergeleitet, welches die räumliche Magnetfeldverteilung beschreibt die durch den Stromfluss in mehreren Bonddraht-Bögen hervorgerufen wird. Unter Verwendung des Modells in Kombination mit diskreten B-Feld Messungen wird ein Verfahren zur Identifikation und Lokalisierung von Bonddrahtabhebern vorgestellt, welches aud Optimisierungs Ansätzen basiert. Eine erste Machbarkeitsuntersuchung zeigt die Eignung dieses Ansatzes zur Identifikation und Lokalisierung von Bonddrahtabhebern anhand der künstlich gealterten IGBT Strukturen.

Deutsch

Status:

Verlagsversion

URN:

urn:nbn:de:tuda-tuprints-231152

Sachgruppe der Dewey Dezimalklassifikatin (DDC):

600 Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften > 620 Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau

Fachbereich(e)/-gebiet(e):

18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
18 Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Stromrichtertechnik und Antriebsregelung

Hinterlegungsdatum:

01 Feb 2023 13:12

Letzte Änderung: