In ICs wird die elektrische Verbindung zwischen dem Substrat und den Anschlüssen mittels dünner Drähte hergestellt, deren Durchmesser teilweise unter 70µm liegt. Leistungs-ICs benötigen daher redundante Drähte, um die Strombelast-barkeit garantieren zu können. Aufgrund der Redundanz war es bisher nicht möglich das Fehlen einzelner Drähte zu detektieren, was zu einer verkürzten Lebensdauer des Bauteils führte. Wir haben eine kontaktlose Messmethode, basierend auf Magnetfeldmessungen entwickelt mit der fehlende redundante Drähte detektiert werden können.
Moderne Leistungsbauteile sind in der Lage elektrische Spannungen und Ströme im Bereich etlicher kV und kA zu steuern. In Bezug auf die Lebensdauer dieser Bauteile ist vor allem die elektrische Verbindung zwischen der integrierten Schaltung (dem IC-Die) und der Außenwelt (den IC-Pins) ein wichtiger Faktor. Diese Verbindungen werden mittels dünner Kupferdr-ähte realisiert, deren Durchmesser teilweise weniger als 70μm beträgt. Aufgrund des geringen Durchmessers müssen Red-undante Drähte verbaut werden, um den Stromfluss aufzuteilen. Bisher waren elektrische Messsysteme nicht in der Lage das Fehlen oder den Ausfall einzelner redundanter Drähte zu detektieren. Im Zuge der Qualitätssicherung ist aber eine Detektion solcher Fehler unerlässlich, da sich die Lebensdauer des Bauteils dadurch drastisch verringert. Das von uns entwickelte Messprinzip basiert auf der Analyse des magnetischen Feldverlaufs aufgrund des Stromflusses durch die Drähte. Da der Feldverlauf unter anderem von der Leitergeometrie abhängt, können damit fehlerhafte Verbindungen detektiert werden.
Zur Bestätigung der Funktionalität des Messprinzips wurde ein Power MOSFET Chip, der BTS5120-2EKA von Infineon Technologies verwendet, eine Röntgenaufnahme des Chips ist in Abb. 1 dargestellt. Dieser Chip verfügt über zwei unab-hängig voneinander schaltbare Kanäle OUT0 und OUT1, wobei jeder Kanal eine nominelle Stromlast von 2,5A bewältigen kann. Beide Kanäle sind jeweils über drei Kupferdrähte (Ø40µm) mit den IC-Pins verbunden. Um die Änderung des Feld-verlaufs (speziell der Feldkomponente in x-Richtung) bei Fehlen eines Drahtes abschätzen zu können wurde eine FEM (Finite Element Method) Simulation durchgeführt, siehe Abb. 2. Je nachdem, ob der erste, zweite oder dritte Draht von OUT1 fehlt, ändert sich nicht nur der Maximalwert der Feldstärke, sondern auch dessen Position.
Für eine zuverlässige Fehlerdetektion, muss der Feldverlauf mit einer hohen örtlichen Auflösung vermessen und mit den Messergebnissen eines idealen Chips abgeglichen werden. Um den Feldverlauf messtechnisch zu erfassen wurde in Kooperation mit Infineon Technologies ein Magnetfeldsensor-Array basierend auf dem GMR (Giant MagnetoResistance) Effekt entwickelt. In Abbildung 3 ist die gemessene Widerstandsänderung ∆RGMR eines einzelnen GMR Elements über dem Chipgehäuse dargestellt. Die gemessene Widerstandsänderung, welche durch den GMR Effekt bedingt ist, weist eine gute Übereinstimmung mit den simulierten Verläufen auf. Die Messergebnisse zeigen somit deutlich, dass fehlerhafte Verbind-ungen anhand der gemessenen Feldverläufe detektiert werden können.
Abb.1: Röntgenaufnahme eines BTS5120-2EKA Power MOSFET Chips.
Abb.2: FEM Simulationsergebnisse der mag-netischen Feldkomponente Hx, 150µm über dem Chipgehäuse, für einen Strom von 2A.
Abb.3: Gemessene Änderung ∆RGMR des Widerstands eines GMR Elements, 150µm über den Testchips, für einen Strom von 1A.
Wirkungen und Effekte
Wir haben eine neue kontaktlose Messmethode vorgestellt, die es ermöglicht das Fehlen einzelner redundanter Drähte in Leistungsbauteilen zu detektieren. Dazu nützen wir das durch den Stromfluss erzeugte Magnetfeld während des elektri-schen Funktionstests. Zur Messung des Feldverlaufs mit einer hohen örtlichen Auflösung wurde schlussendlich ein Mag-netfeldsensor-Array basierend auf dem GMR Effekt entwickelt.
