Durchgebrannt: Leistungselektronik langlebiger konstruieren

Röntgenbildgebung unterstützt bei der frühzeitigen Detektion konstruktiver Schwachstellen bei Halbleitern

Technische Bauteile erfahren eine stetige Miniaturisierung, werden gleichzeitig jedoch zunehmend leistungsstärker. Vor allem Halbleiter-Komponenten und insbesondere jene, welche für den Einsatz im Automotive-Bereich ausgelegt sind, laufen Gefahr, starken Strompulsen ausgesetzt zu sein. Um auch bei solch hochtechnologisierten Bestandteilen größtmögliche Ausfallsicherheit und Langlebigkeit gewährleisten zu können, unterziehen Hersteller Prototypen vor dem Markstart ausgiebigen Tests.

Mittels Power Temperature Cycling Tests soll etwa herausgefunden werden, ob die Bauteile auch unter Ausnahmezuständen weiterhin zuverlässig funktionieren. Dabei erfahren die Komponenten eine periodisch auftretende Spannungsspitze, welche in lokal stark begrenzten Bereichen Temperaturanstiege von mehreren Hundert Grad Celsius zur Folge hat.

Bedingt durch die Komplexität der Bauteile, welche oftmals auch mehrere Ebenen, sogenannte Layer, umfassen, lassen sich nach einem Versagen oftmals nur schwierig Rückschlüsse auf den genauen Hergang des Ausfalls bzw. die betroffenen Einzelkomponenten ziehen. Darüber hinaus treten meist mehrere Ausfälle im Affekt auf, deren Hergang schwierig zu rekonstruieren und zu interpretieren ist.

Forschende am Fraunhofer-Entwicklungszentrum Röntgentechnik EZRT des Fraunhofer IIS konnten anhand einer Technikdemonstration beweisen, dass die Fehlersuche an elektronischen Bauteilen in der Vorserienproduktion mittels hochaufgelöster Computertomographie zu erweiterten Erkenntnissen in der Versagensanalyse beitragen kann. Erstmalig wurden drei übliche Versagensphänomene in 3D über sämtliche Layer der Komponente hinweg dargestellt. Auch schleichende Defekte, etwa durch Elektromigration, lassen sich auf diese Weise lokalisieren.

Hersteller können damit konstruktive Schwachstellen und den zu erwartenden Schadenshergang vorab besser identifizieren und nachvollziehen. Erkannte Schwachstellen können behoben werden, bevor die Komponente die Serienreife erreicht.

Technisch beruht die Demonstration auf der selbst entwickelten ntCT-Anlage, welche sich zur Visualisierung kleinster Strukturen eignet. Das System ist dazu in der Lage, das vollständige Spektrum der Röntgenquelle zu nutzen, um auch unter höchstmöglicher Auflösung höhere Photonenenergien zu verwenden. Dies ist Voraussetzung zur Durchstrahlung von Chips mit hoher Metallisierung. Mit einer Auflösung von bis zu 150 Nanometern können selbst feinste Defekte innerhalb der Schaltkreise sichtbar gemacht werden.