TTA als Zuverlässigkeitsprüfung von SAC+ Loten

Temperatur hat einen enormen Einfluss auf die Zuverlässigkeit und Langlebigkeit von Baugruppen in der Leistungs- und Optoelektronik. Als Faustregel wird oft die Arrhenius-Formel verwendet: Eine 10 °C höhere Arbeitstemperatur halbiert die Lebenszeit. Um die Temperaturen im Betrieb möglichst gering zu halten, muss die entstehende Verlustleistung von den Leistungs-Halbleitern, den High-Power LEDs oder Transistoren, über deren Lötstellen und die Leiterplatte sicher und effizient in den Kühlköper abgeführt werden. Allerdings sind die Lötstellen, bedingt durch unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten von Halbleiter und Leiterplatte, hohem mechanischen Stress ausgesetzt. Als schwächstes Glied im Aufbau fängt die Lötstelle deshalb mit der Zeit an einzureißen, was wiederum die Wärmeabführung korrumpiert und die Arbeitstemperatur erhöht. Die Auswahl langlebiger und rissbeständiger Lote mittels geeigneten Prüfverfahren ist deshalb essenziell.

Die transiente thermische Analyse

Ein nicht-zerstörendes Prüfverfahren, um Lötstellen zu qualifizieren, ist die transiente thermische Analyse (TTA). Als zentrale Kenngröße der TTA beschreibt die thermische Impedanz Z_th(t) den zeitaufgelösten Temperaturanstieg des Halbleiters T_H(t) aufgrund einer Verlustleitung P_V gegenüber der Umgebung:

T_H(t) = Z_th (t) _* P_V + T_Umg.

Für die Vermessung von Z_th(t) wird der Halbleiter im ersten Schritt durch den Betrieb mit einem hohen Heizstrom und der so resultierenden internen Verlustleistung aufgeheizt, bis das thermische Geleichgewicht erreicht ist. Anschließend wird der Heizstrom abrupt abgeschalten und der zeitaufgelöste Temperaturverlauf des Halbleiters während des Abkühlens aufgezeichnet. Die Temperatur wird dabei nicht über einen externen Temperaturfühler, sondern über einen temperatursensitiven elektrischen Parameter direkt im Halbleiter gemessen. Dazu eignen sich u.a. die Vorwärtsspannung von LEDs und die Body-Dioden-Spannung von MOSFETs. Aus dem Temperaturverlauf und dem negativen Leistungssprung beim Abschalten des Heizstroms kann abschließend Z_th(t) berechnet werden.

Informationsgehalt der thermischen Impedanz

Mithilfe von Z_th(t) kann zum einen die Arbeitstemperatur der Halbleiter im Betrieb berechnet werden. Zum anderen erlaubt Zth(t) die Bewertung der thermischen Degradation. Betrachtet man Z_th(t) eines Bauteils zu zwei verschiedenen Alterszuständen, so kann anhand von unterschiedlichen Verläufen eine altersbedingte Schädigung erkannt werden. Dazu werden die Z_th(t)-Kurven in zeitlich logarithmischer Darstellung aufgetragen und auf eine mögliche Trennung geprüft. Über die Stärke der Trennung kann die Stärke der Schädigung bestimmt und über die zeitliche Position der Trennung sogar auf die Ursache geschlossen werden. Dabei gilt, Materialien und Schichten, die näher am Halbleiter liegen, beeinflussen Z_th(t) zu früheren Zeiten als Materialien und Schichten, die weiter entfernt sind. So kann Z_th(t) in mehrere Zeitintervalle eingeteilt werden, die jeweils einem bestimmten Bereich (z.B. der Lötstelle oder der Leiterplatte) zugeordnet sind.

Beispielhaft ist Z_th(t) für eine High-Power LED zu drei Alterungszuständen ist in Bild 1 zu sehen. Die Alterung der LED erfolgte dabei durch „thermal shock cycling“ (TSC) zwischen -40 °C und +125 °C mit jeweils 30 min Haltezeit und einem Temperaturwechsel < 3 min. Initial zeigt die LED eine Z_th(t)-Endwert von 7,6 K/W, der sich durch die Alterung auf 11,0 K/W nach 500 TSC bzw. 18,3 K/W nach 1000 TSC erhöht. Die Schädigung nimmt dementsprechend mit der Zeit zu. Es sollte an dieser Stelle erwähnt werden, dass der Z_th(t)-Endwert dem deutlich bekannteren thermischen Widerstand R_th entspricht. Die Trennung der Z_th(t)-Kurven erfolgt bei ca. 50 ms, was basierend auf Erfahrungswerten einem Riss in der Lötstelle zugeordnet werden kann.

Welche alternativen Prüfverfahren es zur TTA gibt

Neben der TTA gibt es weitere Verfahren für die Prüfung von Lötstellen. Das wohl bekannteste ist die Röntgen-Inspektion. Dieses wird bevorzugt für die Prüfung auf Lunkern/Voids verwendet, ist allerdings für die Detektion von Rissen und damit für die Lebensdauerqualifizierung ungeeignet. Als Alternative wird häufig die akustische Mikroskopie eingesetzt. Dabei werden akustische Wellen über das Trägermedium Wasser auf das Bauteil gerichtet. Die Welle dringt in das Bauteil ein und wird an Übergängen zwischen verschiedenen Materialien teilreflektiert. Das schließt Risse in Lötstellen als Übergang Lot zu Luft (bzw. Wasser) zu Lot ein. Über die Analyse der Reflektionen wird abschließend der Zustand des Bauteils bestimmt.

In Bild 2 sind beispielhafte Aufnahmen einer High-Power LED zu drei Alterungszuständen zu sehen. Dabei handelt es sich um dieselbe LED, die auch schon mittels TTA untersucht wurde. Die drei Lötstellen (Anode, Kathode und thermisches Pad) der LED sind als schwarze rechteckige Flächen gut zu erkennen. Mit steigendem Alter breiten sich in den Lötstellen Risse aus, die als weiße Bereich in den Bildern für 500 TSC und 1000 TSC zu sehen sind.

Zerstörende Verifikation

Zur Verifikation der Ergebnisse aus TTA und akustischer Mikroskopie wurde nach 1000 TSC eine zerstörende Schliffanalyse durchgeführt. Der Schliff wurde mittig durch die größte der drei Lötstellen, markiert durch Pfeile in der akustik-mikroskopischen Aufnahme, erstellt und ist unterhalb dieser abgedruckt. Die Erhöhung in Zth(t) kann mithilfe des Schliffs eindeutig einem Riss in der Lötstelle zugeordnet werden. Im Schliff zeigt sich eine intensive Rissausbreitung. Allerdings ist der vollständige Durchriss aufgrund der schwarzen Flecken in Bild 2 nicht erkennbar. Ursache dafür ist der nicht perfekte horizontale Verlauf des Risses, der zu Streureflektionen der akustischen Welle führt.

Wie ein automatisierter TTA-Messstand aussieht

Aus den Messergebnissen der einzelnen LED ist bereits das hohe Potential der TTA zu erkennen. Schadensbilder können unterschieden und auch der Schweregrad bestimmt werden. Dazu liefert die TTA direkte Informationen zum kritischen Parameter Temperatur und die Interpretation und Bewertung der Zth(t)-Daten ist deutlich einfacher als die der Bildinformationen eines Akustik-Mikroskops.

Allerdings ist die Durchführung der TTA mit aktuellem kommerziellem Equipment durch die manuelle Kontaktierung der Bauteile gepaart mit relativ langen Messzeiten pro Bauteil (bis zu 1 min) sehr zeitaufwendig und fehleranfällig. Aus diesem Grund wurde an der Technischen Hochschule Ingolstadt und am Fraunhofer IVI Anwendungszentrum ein automatisierter TTA-Messstand entwickelt, der alle notwendigen Teilsysteme für die Messung über eine Software mit grafischer Nutzeroberfläche kombiniert (Bild 3). Neben dem eigentlichen TTA-Equipment wird dazu u.a. ein XYZA-Tisch verwendet, der die Halbleiter über Federkontaktstifte der Reihe nach kontaktiert. So können mehrere Bauteile hintereinander ohne menschliches Eingreifen automatisiert vermessen werden, was den personellen Aufwand massiv reduziert.

Laborstudie mit 1800 LEDs und fünf Lotpasten

Mit Hilfe des automatisierten Messstand ist es nun möglich, auch umfangreiche Laborstudien mit mehreren 100 Bauteilen durchzuführen, ohne den personellen Aufwand zu sprengen. So wurde in Kooperation mit einem Scheinwerfer-Hersteller eine Studie mit insgesamt 1.800 High-Power LEDs, fünf Lotpasten und neun verschiedenen LED-Typen durchgeführt.

Zwei Standard SAC Lote mit verschiedenen Silber-Anteilen und drei SAC+ Pasten mit verschiedenen Silber-Anteilen und verschiedenen Zusatzstoffen wurden untersucht. Alle LEDs wurden unter den gleichen Bedingungen wie die vorherige Beispiel LED für insgesamt 1500 Zyklen gealtert, wobei 1000 Zyklen ungefähr dem Lebenszyklus eines Autos entsprechen. Zur Bewertung wurden die LEDs initial, sowie an 12 weiten Alterungszeitpunkten mittels TTA vermessen. Eine Erhöhung von Z_th(t) um 20 Prozent im Vergleich zur initialen Messung wurde als Ausfallkriterium gewertet.

Die so gewonnenen Daten sind exemplarisch für einen LED-Typen in Bild 4 zusammengefasst. Eine vollständige und detaillierte Auswertung ist im Rahmen dieses Beitrags nicht möglich. Insgesamt zeigte sich, dass sowohl die Erhöhung des Silber-Anteils als auch die Verwendung von Zusatzstoffen im Lot die Lebensdauer erhöht. Ebenso hat das Lötpad-Design einen großen Einfluss. Die Erhebung sowie die Bewertung dieses umfangreichen Zuverlässigkeits-Datensatzes wurde erst durch die Automatisierung der TTA möglich und liefert präzisere Aussagen als Akustik-Mikroskopie und Schliffanalyse.