Corporate Technology 52. Treffen des Arbeitskreises Systemzuverlässigkeit von Aufbau- und Verbindungstechnologien Regionalgruppe Berlin am 19.05.2015 Schädigungsmechanismen durch Massetransportprozesse in der modernen Aufbau- und Verbindungstechnik Jörg Strogies (Siemens AG, CT RTC ELE PME-DE) Berlin, d. 1.10.2014 Kollege von Dr. Schiefelbein Einordnung der Problematik Interaktion Komponenten (BE, LP) zu Prozessen und nachgelagerten Belastungen (Feldbelastungen) Vergußkonzepte Second Level Interconnects Verdrahtungsträger Baugruppenebene First Level Interconnects Hochtemperatur Geräteebene (Gehäusekonzepte) Verdrahtung zwischen Baugruppen oder zur Peripherie Elektrische Stresseinflüsse (HL, Leiterplatten) System (Gerät, Baugruppe, Komponenten, Konstruktionselemente) Temperaturwechsel zyklische mechanische Belastungen (Vibration) Feuchte-/ Temperatur Einwirkung von Umwelt- und Betriebsbedingungen auf komplexes System von Konstruktionselementen Hochtemperatur + hohe Ströme Schadgaseinflüsse transiente mechanische Belastungen (Schock, Drop) In der Praxis meist kombinierte Belastungen Merkmale der modernen der Aufbau- und Verbindungstechnik - Hoher Miniaturisierungsgrad auch von Leistungskomponenten - Kombination von Logik- und Leistungsfunktionen - Trend zur Hochtemperaturelektronik (Fortschritte in der Halbleitertechnik ermöglichen hohe TJ) - Harsche Umgebungsbedingungen Elektromigration Elektrochemische Migration © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 2 Grundlagen der Elektromigration • Zunehmende Miniaturisierung von elektrischen Anschlusselementen der Aufbau- und Verbindungstechnik bewirkt bei Anwendungen in den Bereichen der Industrie-, Automobil- und Haushaltselektronik aber auch vielen anderen Einsatzgebieten zunehmende Stromdichten und erhöhte Temperaturbelastungen (Beispiel Power QFNs mit MOSFETS und Strömen bis über 10 A) • Elektromigration beruht auf der gerichteten Bewegung von Gitteratomen der Leiterwerkstoffe infolge Wechselwirkungskräften mit den driftenden Elektronen. Je höher die Stromdichte und die Temperatur, desto stärker der Effekt. Weitere Triebkraft ist die Leerstellenkonzentration im Gitter. • Komplexe Systeme der realen Lötverbindungen erfordern trotz Bemühungen der Modellierung experimentelle Untersuchungen © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 3 Schädigungen von Verbindungsstrukturen durch Elektromigration – komplexe Wechselwirkungen Atomarer Fluss C – Teilchendichte [/m 3] v d – Driftgeschwindigkeit [m/s] - Atomares Volumen [m 3] D0 – Diffusionskonstante [m 2/s] Mobilität EA – Aktivierungsenergie [J] k – Boltzmannkonstante [J/K] Diffusionskoeffizient T – Temperatur [K] Z* - effektive Wertigkeit Effektive Kraft auf Atomrümpfe e – Elementarladung [As] E – elektrisches Feld [V/m] – spezifischer elektrischer Widerstand [ m] Entscheidung j – elektrische Stromdichte [A/m 2] Fokus auf experimentellen Untersuchungen unter Verständnis der Lastgrößen auf speziellem Teststand mit realitätsnahen Testvehikeln Konkrete Failure Modes und empirische Modelle Folie 4 Sehr aufwendig, deshalb © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Schädigungen von Verbindungsstrukturen durch Elektromigration Lastgrößen: Stromdichte, Temperatur Ablegierung durch Cu Abtrag der e’plated CuMetallisierung Ca 13 kA/cm 2 Stromdichte Wafer – Level Ball 4, WLB IFX RDL (-) BGA PCB Pad (+) – RedistributionBetrag Stromdichte Layerder (oben) – kathodisch in A/m2 Verdrahtungsträger Simulation mit Ansys 11 -Pad (unten) – anodisch Strom: 1,6 A Driftrichtung Elektronen e- Darstellung des Schädigungsbild korreliert gut zu simulierter Stromdichtefelds Stromdichte I = 1,6 A Experimentell bestimmtes Schädigungsbild korreliert gut zur Lastgröße Stromdichte + Miniaturisierte Struktur – Wafer-Level-BGA – Infineon Herausforderung – lokale Stromdichte infolge „Current Crowding“ © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 5 Schädigungen von Verbindungsstrukturen durch Elektromigration Lastgrößen: Stromdichte, Temperatur Dimensionen Footprint Abschattung durch Void, keine IMP Low Current Crowding Pad Configuration High Current Crowding Pad Configuration Stromstärke = 10 A Struktur – Super SO8 Power QFN Infineon Defektentstehung durch Flussdivergenzen am kathodischen Interface (Voids) © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 6 Experimentelle Untersuchungen zur Elektromigration – empirische Modellbildung Theta /°C extreme Beschleunigung Parameter Aktivierungsenergie EA 165 Stromdichteexponent n Realistische Beschleunigung? AF = 0,07 AF = 0,29 137 AF = 0,51 AF = 0,15 MinimalTransformationsbasis (theoretische AF) 125 0,565 A AF=0.5 0,4 0,8 Moderate Beschleunigung ca. x 2 AF j1 j2 n e EA 1 1 k T2 T1 einfaches Modell basierend auf der Blackschen Gleichung 1,6 Strom /A Vervollständigung der Transformationsbasis für Betrachtungen nach Black Anwendbarkeit auf grenzflächendominierte Fehlermechanismen? © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 7 Elektromigration - Teststand Bestromung und Matrixmessung der elektrischen Widerstände über 4- Polmethode Prinzip des Prüfstands – schematische Darstellung PHeiz PKühl Kryo 20 Temperier flüssigkeit (umgewälzt) Pv = I2 * R Gesamtverlustleistung im Bad PV ( gesamt ) I 2* Ri i Bei gleichem Strom durch Ri Theta Flüssigkeit BE (DuTs) Bei Dauerbetrieb –> Übertemperaturabsicherung Wichtig auch “parasitäre” Widerstände durch Zuleitungen, Leitbahnen auf PCB, usw. Anordnung der Prüflinge in temperiertem Bad © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 8 Beispiel für Bewertung mit Verbindung elektrischer Charakterisierung und mikrostruktureller Beschreibung Metallografische Bewertung nach 406h Theta = 137°C, I = 400 mA + Iout = 0.4 A R43 R32 R21 Spannungsabgriffe zur Charakterisierung Widerstände Iin = 0.4 A Widerstandsanstiege WLB S5Z2 @ 406h bezogen auf AZ bei gleicher Strukturtemperatur R43 (RDL kathodisch/PCB- Pad anodisch) 2,04x R32 (RDL kathodisch/anodisch durch austretenden Stromfluß in Balls) 4,92x R21 (RDL anodisch/ PCB- Pad kathodisch) 1,04x © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Beispiel für Bewertung mit Verbindung elektrischer Charakterisierung und mikrostruktureller Beschreibung Dominierender Failure Mode: Abtrag der Cu-Metallisierung Lückenbildung durch Flussdivergenzen WLB-Struktur Kathodisches Interface – eElektronenbewegung + Anodisches Interface (Verdrahtungsträger) © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Auswertung der elektrischen Ausfälle durch Annäherung an Weibull-Verteilung Fehlerkriterium + 20% elektrischer Widerstand 90,000 Wahrscheinlichkeit-Weibull 9 9, 0 00 Folio1\R21 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=14/S=14 Datenpunkte Linie Wahrscheinlichkeit 9 0, 0 00 Folio1\R32 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=12/S=16 Datenpunkte Linie Wahrscheinlichkeit 50,000 Unzuverlässigkeit, F(t) Relia So ft W e ibu ll++ 7 - w ww . Relia So ft. com Wahrscheinlichkeit - Weibull 99,000 Folio1\R43 Weibull-2P RRX SRM MED FM F=17/S=10 Datenpunkte Linie Wahrscheinlichkeit 10,000 5,000 1,000 100,000 W ah rsch ein lich keit-W eib ull F olio 1\R21 W eib ull- 2P RRX SRM M ED F M F =12 /S =1 6 Date np un kte Linie W ah rsch ein lich keit F olio 1\R32 W eib ull- 2P RRX SRM M ED F M F =15 /S =1 3 Date np un kte Linie W ah rsch ein lich keit F olio 1\R43 W eib ull- 2P RRX SRM M ED F M F =13 /S =1 5 Date np un kte Linie W ah rsch ein lich keit 1 0, 0 00 5, 0 00 1000,000 Jörg Strogies Siemens AG CT T DE HW5 21.02.2012 15:53:49 10000,000 Jo erg S tro gies S iemens AG 2 8. 0 5. 2 01 0 0 9:3 0:1 9 1 00 0, 0 00 1, 0 00 10 0, 0 00 Zeit, (t) Zeit, (t) F olio 1\R21 : F olio 1\R32 : F olio 1\R43 : Folio1\R21: Folio1\R32: Folio1\R43: Relia So ft W eib ull+ + 7 - ww w. ReliaSo ft. com Wahrscheinlichkeit - Weibull 99 , 00 0 W a hrsche inlichke it-W eib ull Fo lio1 \Da ten 1 W e ibu ll-2 P RRX S RM ME D F M F= 12/S= 16 Da ten pun kte Lin ie W ah rsch ein lich keit 90 , 00 0 Realitätsnahes TV: WLB 0,566A;125°C Fo lio1 \Da ten 2 W e ibu ll-2 P RRX S RM ME D F M F= 13/S= 15 Da ten pun kte Lin ie W ah rsch ein lich keit 50 , 00 0 Unzuverlässigkeit, F(t) Wahrscheinlichkeit - Weibull 5 0, 0 00 Unzuverlässigkeit, F(t) ReliaSoft Weibull++ 7 - www.ReliaSoft.com Fo lio1 \Da ten 3 W e ibu ll-2 P RRX S RM ME D F M F= 15/S= 13 Da ten pun kte Lin ie W ah rsch ein lich keit Strom 10 , 00 0 Sicherung der Wirkungsäquivalenz über metallografische Bewertung Basis für empirische Bestimmung AF 5 , 00 0 0,4A;137°C 0,4A;125°C 1 , 00 0 100 , 00 0 1 00 0, 0 00 Zeit, (t) F olio 1\Date n 1 : F olio 1\Date n 2 : F olio 1\Date n 3 : Jör g S tro gies Privat 23 . 06 . 20 11 12 :52 :19 1 00 00, 000 Temperatur © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Experimentelle Untersuchungen zur Elektromigration AF-Betrachtung Vergleichsbasis N63 – Werte ( - Werte) AF-Bestimmung auf experimenteller Basis Stand 23.06.2011 22.02.2012 Struktur Strom /A Temp /°C R21 0,4 125 R32 0,4 125 R43 0,4 125 R21 0,4 137 R32 0,4 137 R43 0,4 137 R21 0,56568542 125 R32 2 * 0,4 0,56568542 125 R43 0,56568542 125 AF bezogen auf 125°C/0,4A N63 /h 4142 3828 2290 738 690 735 tbd tbd tbd 1471 2030 1052 AFm 4,7 AFm 2,3 1 1 1 5,6 5,5 3,1 2,8 1,9 2,2 Basis der AF-Bestimmung ist der VP mit 0,4 A Strom und der LV-Temperatur von 125 °C © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 12 Zusammenfassung der Ergebnisse • Detaillierte Darstellung der Failure Modes und der temperatur- und stromdichteabhängigen Lebensdauern für miniaturisierte WLB-Verbindungen • Arrheniusfaktor (Temperaturabhängigkeit der diffusionsgesteuerten Prozesse) für grenzflächenorientierten Fehlermode sehr stark ausgeprägt (Aktivierungsenergie EA = 1,8 eV) • Stromdichteabhängigkeit entspricht gut den in der Literatur publizierten Daten (n = 2,4) • Online-Charakterisierungen der Widerstandsverläufe für 3 Messstrecken / Bauelement, große Varianz der individuellen Verläufe, typisch für hochbelastete und miniaturisierte SAC305-LV bisherige Arbeiten, mögliche Ursache wenige Körner, deren kristallographische Orientierung massiven Einfluß auf EM-Neigung haben Ausgangsbasis für geometrisch und stoffliche Optimierungen der Verbindungsstrukturen: - Verbesserung der Stromdichtehomogenität geometrisch optimierte Lowcurrent crowding BE-Anschlüsse/Lotkörper/Leiterplattenpads - Optimierung der Lotwerkstoffe und korrespondierende Prozeßführung (z.B. Peak & Cooling Gradient) beim Löten aktive Beeinflussung der Mikrostrukturen der Verbindungen, Aufbau der IMC an Grenzflächen Untersuchungen anderer Lote ( Innolot, Wismut-Lote ) werden noch durchgeführt © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 13 Grundlagen der Elektrochemischen Migration Massetransport im elektrischen Feld durch Metallauflösung, Wanderung von Ionen und Metallabscheidung Lastgrößen: - Elektrische Feldstärke (Spannung/Abstand) - Feuchte (relative Feuchte) bewegliche Ionen - Temperatur (Beeinflussung der Reaktionsrate) Einflussfaktoren: - intrinsische und extrinsische Kontamination, die unter Feuchteeinfluss bewegliche Ionen bilden können Flussmittelrückstände (Säuren, metallorganische Salze, …) Rückstände aus Leiterplattenprozessen (Galvanik, Lötstopp) Einfluss von Schadgasen (SO2, H2S, …) © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 14 Grundlagen der elektrochemischen Migration – schematische Darstellung Vereinfachte Modellvorstellung Sehr wirksam: Reduktionsreaktion Cu2+ + 2eCu Halogenide: Cl-, F-, Br _ Absorbierte Feuchte + Kontaminationen bewegliche Ionen bilden Elektrolyt (Ladungsträgerfluss unter Spannung) Oxidationsreaktion Cu Cu2+ + 2e- n+ Me n- Y E [V/m] _ + E [V/m] Ladungsträgerfluß und elektrochemische Reaktion © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 15 Beispiele für Fehlerphänomene Hauptprobleme bei elektronischen Baugruppen: - unzulässige Minderung der Surface Insulation Resistance (SIR) (Leckströme, insbesondere an geometrisch kritischen Stellen) - Kurzschlüsse durch bäumchenförmige Metallabscheidungen (Dendriten) – abhängig von der elektrischen Beschaltung bleibend oder transient Dendritische Metallabscheidung auf LPDielektrikum (zunehmende Reduzierung des Isolationswiderstands, final bis zum Kurzschluß) + _ + _ + © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 16 Pfade für empirische Untersuchungen Fähigkeiten bei CT ELE PME-DE Empirische SIR-Untersuchungen Labormäßiges Verfahren SIR – TB IPCKammstrukturen mit L/S (4 Kämme, SIR.TEST 1.B) 400 µm Leiterzüge/200 µm Gap - wirksame elektrische Feldstärke bei U = 5V E = 25 V/mm - UT = 5V, UM = 5V (forward) - Limit Min 108 Ohm (nach 24h unter Klimat) - Klimat typisch 40°C/93% rel. Feuchte - Elektrische Inlinemessung 106 … 1012 Ohm - Dauer: 168 h - Labormäßiger Fluxauftrag - Labormäßige thermische Fluxkonditionierung vor Test Produktnahes Verfahren nach IPC-B-52 Produktnahes TB mit realitätsnahen Komponenten - wirksame Feldstärken bei U = 5V E = 2,7 … 27,3 V/mm - UT = 5V, UM = 5V (forward) - Limit Min 108 Ohm (nach 24h unter Klimat) - Klimat typisch 40°C/90% rel. Feuchte - Elektrische Inlinemessung 106 … 1012 Ohm - Dauer: 168 h - Reale Process Flows der Baugruppenmontage mit ggf. additiven Cleaning- und Coating-Schritten keine Kammstruktur verwendet, sondern auch anderen Bauteile (QFN, BGA, usw. ) © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 17 Testboards Kamm - Testboard Partiell abgehobenes QFP für visuelle Inspektion IPC-B-52 Testboard Kammstruktur mit L/S 400 µm / 200 µm © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 18 Teststand Feuchte/Wärme + elektrische Last + Online-Messwertaufzeichnung Baugruppen-Rack (IPC-B-52-Version) PC-gesteuerte Messeinheit mit Bereitstellung Biasspannung und zyklischer SIRMessung (106 … 1012 ) © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 19 Messung bei niederer Spannung <5V Messung der Widerstandsveränderung (Hochohmbereich 108 Ohm Versuchspunktübergreifender Vergleich der elektrischen Messwerte Limit: Min 108 ab 24 h unter Testklimat (hier 40°C/93% rel. F.) Messzeitpunkt /h (Klimabedingungen liegen 3 h später an) Ranking der Leistungsfähigkeiten verschiedener Materialsysteme bei Ranking der Leistungsfähigkeit verschiedener Flussmittel bei unterschiedlichen unterschiedlichen Verarbeitungsbedingungen entsprechend der SIRVerabeitungsbedingungen entsprechend der SIR-Werte Charakteristik © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 20 Realitätsnahes Testboard IPC-B-52 Source: IPC-9203 2012-May Elektrische Online-Messung an realistischen Design-Elementen SIR according to test time Typische zeitabhängige #1006, Ch5 … Ch8SIR-Verläufe 12 • Zeitlich hochaufgelöste SIR-Werte für DesignElemente • Additive visuelle Analysen vor und nach Tests • Bei Bedarf Eskalation in Richtung weiterführender Analytik (REM/EDX, AES, …) log (SIR /Ohms) 11 10 Ch_5:4 Ch_6:5 9 Ch_7:6 Ch_8:7 8 7 6 0 24 48 72 96 120 144 168 test time /h © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 21 Ausblick Elektrochemische Migration • Vertiefung der theoretischen Basis bzgl. der Schädigungsmechanismen durch elektrochemische Migrationsphänomene • Weiterentwicklung der Prüfstände (Entwicklung und Realisierung von Verifizierungsboards, Testruns) • Beurteilungen und ggf. Entwicklung von Prozessabläufen wie Reinigungsschritte, Coating- Schritte insbesondere unter Nutzung des realitätsnahen Testboards IPC-B-52 • Identifikation von kritischen Designelementen und Erarbeitung von Verbesserungsmaßnahmen, Weiterentwicklung von Designrules Die Firma Siemens will sich bei Vorgaben für Designrules mit einbringen © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 22 Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit © Siemens AG 2014. All Rights reserved. Folie 23
© Copyright 2024 ExpyDoc
