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Detektion fehlerhafter Bonddrahtverbindungen in Integrierten Schaltkreisen mittels eines für örtlich hochaufgelöste Magnetfeldmessungen entwickelten GMR-Zeilenarrays

Dipl.-Ing. Dr. Patrick Hölzl

Betreuung und Begutachtung durch:

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

2. Begutachter:

Ao.Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr.techn. Christian Magele

Rigorosum:

10. September 2018

Moderne Leistungselektronikkomponenten müssen im Stande sein Spannungen und Ströme im Bereich etlicher kV und kA zu steuern bzw. zu schalten. Von entscheidender Bedeutung ist dabei die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und den Ausgangspins, die häufig durch Bonddrähte realisiert wird. Um die Strombelastbarkeit der Verbindung zu garantieren, werden redundante Bonddrähte verwendet. Durch die Redundanz sind gebräuchliche elektrische Funktionstests allerdings nicht mehr in der Lage einzelne fehlende oder nicht vollständig verbundene Bonddrähte zu detektieren, da die Auswirkungen im Fehlerfall zu gering sind. In Kooperation mit dem Halbleiterhersteller Infineon wurde daher ein Messverfahren zur Detektion entwickelt, um zukünftig die Qualitätskontrolle bei Leistungselektronikkomponenten zu verbessern. Das entwickelte Verfahren nutzt die über dem Bauteil gemessene Verteilung des Magnetfelds, um auf den Stromfluss in den einzelnen Bonddrähten zurückzurechnen. Bei Fehlen eines oder mehrerer Bonddrähte ändert sich nicht nur die Aufteilung des Stromflusses auf die verbliebenen redundanten Drähte, sondern auch das resultierende Magnetfeld.

Zur Evaluierung des Messverfahrens wurde der MOSFET-Leistungshalbleiterschalter BTS5120-2EKA von Infineon ausgewählt. Der BTS5120-2EKA verfügt über zwei unabhängig voneinander schaltbare N-Kanal DMOSFETs, wobei jeder Kanal mittels dreier parallel geschalteter Bonddrähte mit den Pins verbunden ist, siehe Röntgenaufnahme des Chips in Abb. 1. Zusätzlich hat Infineon eine Serie Testchips mit ähnlichem Innenaufbau produziert, bei denen aber bewusst Bonddrähte eines Kanals weggelassen wurden.

Anhand mehrerer Frässchichtaufnahmen eines BTS5120-2EKA wurde ein vereinfachtes geometrisches Modell aller stromführenden Bonddrähte konstruiert, bestehend aus jeweils sechs geraden Linienleitersegmenten pro Draht, siehe Abb. 2. Basierend auf der Linienleiter-Modellierung konnte die räumliche Verteilung des Magnetfelds über dem IC mit dem Gesetz von Biot-Savart analytisch berechnet werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse waren ausschlaggebend für den Entwurf eines Magnetfeldsensor-Zeilenarrays, bestehend aus 26 GMR-Sensorelementen. Eine mikroskopische Aufnahme des Magnetfeldsensor-Zeilenarrays ist in Abb. 3 dargestellt.
Im Anschluss an die Realisierung des Magnetfeldsensor-Zeilenarrays durch Infineon sind die GMR-Sensorelemente hinsichtlich ihrer magnetischen Sensitivität, Nichtlinearität, Temperaturempfindlichkeit, Rauschcharakteristik und Ortsauflösung charakterisiert worden. Mit dem Magnetfeldsensor-Zeilenarray wurden die Feldverteilungen oberhalb von 400 ICs, 100 BTS5120-2EKA und 300 Testchips mit verschiedenen Fehlerpermutationen der Bonddrähte, gemessen. Ausgehend von den Messdaten wurde ein inverses Problem zur Bestimmung des Stromflusses in den Bonddrähten aufgestellt und dieses mittels zweier unterschiedlicher Ansätze, einem modell- und einem datenbasierten, gelöst. Entsprechende Beispiele für zwei unterschiedliche Chiptypen sind in Abb. 4 dargestellt. Unter Verwendung eines auf den Schätzwerten der Bonddrahtströme beruhenden Schwellwertverfahrens konnten schlussendlich bis zu 99.33% aller fehlerhaften Testchips detektiert werden, ohne eine einzige Falschklassifizierung eines fehlerfreien BTS5120-2EKA.

Schlagwörter: Non-Destructive Testing, Integrierte Schaltkreise, Bonddrahtverbindungen, Magnetfeldsensorik, GMR-Zeilenarray, Inverses Feldproblem

Abbildung 1: Röntgenaufnahme eines BTS5120-2EKA und Strompfade der beiden N-Kanal DMOSFETs. Jeweils drei Bonddrähte aus Kupfer (bezeichnet mit {B1, B2, B3} und {B4, B5, B6}) stellen pro Kanal die elektrische Verbindung zwischen den Ausgangspins OUT0/OUT1 und dem Halbleiterchip her. Abbildung 2: 3D-Modell der stromführenden Bonddrähte und vereinfachtes geometrisches Modell, wobei jeder Draht durch sechs gerade Linienleitersegmente mit den Eckpunkten P0-P6 approximiert wird. Abbildung 3: Mikroskopische Aufnahme des auf einem Halbleiterchip integrierten Magnetfeldsensor-Zeilenarrays, bestehend aus 26 GMR-Sensorelementen. Abbildung 4: Ergebnisse der Magnetfeldmessungen sowie der darauf basierenden Bestimmung des Stromflusses in den Bonddrähten für zwei unterschiedliche Chiptypen. Für die Messungen wurde in Kanal 1 mit den Bonddrähten {B4, B5, B6} ein Strom von 4.9A eingeprägt. Die beiden zurückgerechneten Stromverteilungen auf der rechten Seite lassen deutlich das Fehlen des mittleren Bonddrahts B5 in den Testchips erkennen.