The Importance of Interconnection Technologies’ Reliability of Power Electronic Packages

Abstract

This chapter deals with the reliability of die interconnections used in plastic discrete power packages, dedicated to on-board electronic systems used in a wide range of applications such as automotive industry. A complete reliability analysis of two bonding technologies-aluminum wire and ribbon bonding-is proposed. This study is particularly focused on interconnection technologies' aging, when the package is subjected to thermal cycling or power cycling with high-temperature swings. For thermal cycling, the experimental reliability test results highlight that wire bond package aging is about 2.5 faster than the ribbon bond package. For power cycling, this acceleration factor is about 1.5. In both cases and whatever the bonding technique, the failure mechanism of the package is of a fatigue-stress nature. Many failure analysis results show wire bond lift-off. The degradation of the ribbon bond is more difficult to observe. Thermo-mechanical simulations using finite elements show a high stress concentration in the heel area. For the wire-bonding technique, the wire is subjected to repeated flexing and pulling that lead to its lift off. The ribbon-bonding process shows a higher robustness, thanks to a higher contact surface on the die, the low-loop profile and the stiffness of the ribbon.

Ультразвуковая Микросварка Проволочных Выводов Больших Диаметров При Монтаже Мощных Полупроводниковых Приборов

“…1 , И. Петухов, к. т. н. 2 , Л. Драгилев 3 При разварке кристаллов в мощных полупроводниковых приборах используются проволочные и ленточные выводы большого поперечного сечения. Для повышения качества микросварки таких выводов создана ультразвуковая технологическая система новой автоматической установки микросварки, которая отличается стабилизацией сварочного усилия и безударной отрезкой проволоки (ленты) в конце цикла монтажа вывода.…”

“…Проволочное межсоединение деформируется в процессе присоединения в точке сварки под действием прилагаемого усилия и ультразвука, а при последующем формировании петли из-за возникающих напряжений возможно образование микротрещин в области сварного соединения и прилегающей к нему части перемычки. Если такое соединение подвергается воздействию какихлибо напряжений, связанных, например, с циклическими тепловыми нагрузками, вызываемыми рассеиваемой мощностью и условиями эксплуатации, с расширением герметизирующей пластмассы, то возникает высокая вероятность его разрушения [2,3,4]. Наиболее часто используемый материал проволоки с большим сечением -это 99,99% алюминий, в отдельных случаях используется сплав алюминий-магний (AlMg).…”

“…Внедрение технологии низкотемпературного спекания для установки кристаллов на DBC-подложку позволило устранить второй паяный слой и кардинально повысить стойкость полупроводниковых модулей к термоциклированию. В результате самым слабым местом на сегодня является само сварное соединение алюминиевых проводников от кристалла к контактным площадкам корпуса, несмотря на то, что совершенствование технологий ультразвуковой сварки позволило в последние годы существенно повысить его надежность [3,4,7]. Работы в этом направлении продолжаются; в частности, ими активно занимаются специалисты ОАО «Планар-СО» совместно с учеными Белорусского государственного университета информатики и радиоэлектроники.…”

“…Основными дефектами проволочного монтажа является «отлип» сварного соединения. Выявление возможности появления такого отказа во время эксплуатации изделий производится при помощи двух основных видов Что касается работы в условиях переменных тепловых нагрузок, сопровождающихся развитием в соединениях эффекта термической усталости, то практический интерес представляют, например, исследования, описанные в [3]. В них сделан важный вывод о том, что ленточные выводы при термоциклировании в 2,3 раза надежнее, чем проволочные, и в 1,4 раза надежнее при прогоне на предельных электрических параметрах.…”

“…* Пустоты Киркендалла -пустоты вблизи межфазных границ, образующиеся в связи с различными скоростями взаимной диффузии в разнородных твердых телах. ** Функция Вейбулла F(t) описывается следующим соотношением [3]: Приведенные данные показывают, насколько серьезные выводы могут быть сделаны из испытаний по методам термоциклирования и прогона выборочных изделий на предельных параметрах. Они, как и другие результаты проведенной поисковой работы, будут использованы на следующих этапах исследований, проводимых в ОАО «Планар», в ходе которых планируется, во-первых, определить необходимый комплекс испытаний для обеспечения максимально достоверной проверки качества сварки, получаемого на производимых предприятием установках, и, во-вторых, подготовить технологические рекомендации для заказчиков этого оборудования.…”