Ce travail est motivé par la compréhension des mécanismes de défaillance des dispositifs IGBTS de puissance haute tension pour les applications automobiles, de traction et de commande de moteurs où la fiabilité des dispositifs est un problème technique clé. Au fil des années, le facteur limitant de ces appareils électriques s'est révélé être l'interconnexion supérieure. Cette interconnexion est constituée de la métallisation source et du fil qui y est soudé. Dans les composants de puissance standards, les interconnexions supérieures sont en aluminium (Al), mais une transition vers le cuivre (Cu) est désormais observée, notamment dans les appareils haut de gamme et de très haute puissance. Le vieillissement du métal est dû à une combinaison de variations de température au cours des cycles éléctriques et à la différence de coefficient de dilatation thermique entre les interconnexions métalliques et le semi-conducteur sous-jacent (Si, GaN ou SiC). Cela induit une déformation plastique du métal qui, en cas de cyclage, peut entraîner une défaillance du dispositif
Face aux exigences croissantes en matière de densité de puissance, plusieurs améliorations ont été apportées pour prolonger la durée de vie de ces dispositifs, la plus importante étant le remplacement de l'aluminium par du cuivre dans les interconnexions. Cela a permis d'augmenter d'un facteur 10 la durée de vie des IGBT pour ceux fonctionnant à des températures inférieures à 175°C. Pour la prochaine génération, on s’attend à ce que les températures maximales de fonctionnement augmentent jusqu’à dépasser 200°C. La connaissance des propriétés physiques métallurgiques des interconnexions joue un rôle crucial dans la détermination de la durée de vie du dispositif. Plusieurs travaux existent sur les mécanismes d'endommagement des attache de puce et soudure des IGBT, mais jusqu'à présent aucun sur les interconnexions en cuivre.
Ce travail vise donc à caractériser les propriétés microstructurales et mécaniques des interconnexions en Cuivre, avant et après vieillissement accéléré et à les comparer au comportement de leurs homologues en Aluminium. Cela se fera en utilisant des techniques spécifiques au domaine de la métallurgie physique telles que la microscopie électronique et ionique à balayage/transmission. Pour la première fois, les propriétés mécaniques des fils liés par ultrasons ont été étudiées à l’aide d’une cartographie par nano-indentation à haut débit. Ces caractérisations ont également été corrélées à une simulation par éléments finis qui simule la contrainte dans la métallisation source lors du vieillissement.
Le principal mécanisme de dommage observé dans les composants en cuivre était l'apparition de fissures dans la soudure de la plaque de base, ce qui entraîne une augmentation de la résistance thermique. Contrairement à la littérature, nous constatons que la propagation de fissures s'initie dans les liaisons filaires. Les fissures partent de la périphérie du fil de liaison et se propagent à travers la métallisation et/ou le long de la barrière de diffusion. La métallisation ne présente ni pores ni fissures après le vieillissement. Cela conduit à supposer que les dommages dans les interconnexions supérieures résultent de la déformation plastique et de la mauvaise adhérence de la métallisation à la barrière de diffusion.
Cette étude a ainsi fourni une caractérisation métallurgique et physique approfondie des amenées de courant par fil de cuivre. Nous avons utilisé de nouvelles techniques et méthodes de quantification pour évaluer le vieillissement de ces interconnexions. Les propriétés mécaniques et microstructurales complètes résultant du processus de liaison par ultrasons et du vieillissement accéléré. L'étude donne également un aperçu de la défaillance des liaisons par fils de cuivre et quelques suggestions sur la manière d'améliorer la fiabilité de ces interconnexions. |
This work is motivated by comprehending aging and failure mechanisms in high voltage IGBT power devices for the automotive, traction and motor drive applications where the device reliability is a key technical issue. Over the years the limiting factor of these power devices has been the semiconductor chip top interconnect region. Top interconnects consist of the source metallization and the wires that are welded to it. In standard power devices, the top interconnects are made of Aluminium (Al), but a transition to copper (Cu) is now observed, especially in high-current power devices. Ageing of the metal is due to a combination of temperature swing during the repeated on and off cycles, and the difference in the coefficient of thermal expansion between the metal top interconnects and the underlying semiconductor (Si, GaN or SiC). This induces plastic deformation in the metal and crack propagation, which, over cycling, may result in device failure.
With increasing demands of power density, several improvements have been made to extend the lifetime of these power devices, the most significant one being the replacement of Aluminium with Copper in top interconnects. This has resulted in a factor 10 increase in IGBT device life for devices operating at temperatures below 175°C. For the next generation of power semiconductors (SiC, GaN), it is expected that maximum operating temperatures will increase to higher temperatures (200°C). The knowledge on the physical metallurgical properties of interconnects plays a crucial role in determining the lifetime of the device. Several works exist on the damage mechanisms of novel bottom interconnects (die attach and solder) in IGBTs but so far none on the copper interconnects.
Therefore, this work aims to characterize microstructural and mechanical properties of Copper interconnects, before and after accelerated ageing at a temperature swing higher than previously reported, and compare them to the behaviour of their Aluminium counterparts. This was done using specific techniques in the field of physical metallurgy such as scanning/transmission electron microscopy and ion microscopy. For the first time the mechanical properties of ultrasonically bonded wires have been investigated at the microstructure scale using high throughput nano indentation mapping. These characterizations were also correlated with a finite element simulation that estimated the stress magnitude in the source metallization during ageing.
The main damage mechanism observed in copper power module packages was the cracks in the base plate solder, that resulted in increased thermal resistance of the component. Contrary to the literature, we find that in this high temperature swing test, cracks have initiated in some wire bonds as a secondary damage mechanism. The cracks start from the periphery of the wire bond and propagate through the metallization and along the copper-semiconductor diffusion barrier. The unbonded metallization shows no pores or cracks after ageing. This suggests that the damage in the wire bond is a result of the plastic deformation due to the ultrasonic bonding process and poor adhesion of the metallization to the diffusion barrier.
This study has therefore provided a comprehensive physical metallurgy investigation of copper wire bonds for high temperature power devices applications. It uses new techniques and quantification methods to assess the ageing of these interconnects. It gives the mechanical and microstructural properties resulting from the ultrasonic bonding process and accelerated ageing. It also provides insights into the failure of copper wire bonds and some suggestions on how to improve the reliability of these interconnects. |