TA.TEC Consulting
Mehr Drähte oder größerer Drahtdurchmesser?
Wie Aluminium-Bonddrahtdurchmesser und Drahtanzahl die Power-Cycling-Zuverlässigkeit beeinflussen – und warum 4 × 15 mil im untersuchten Test besser abschnitt als 3 × 20 mil.
Verglichen wurden zwei Bondwire-Konfigurationen mit identischer Stromtragfähigkeit: 3 × 20 mil und 4 × 15 mil Aluminiumdrähte. Unter den untersuchten Power-Cycling-Bedingungen traten bei der 3 × 20 mil Konfiguration Wire-Lift-offs bereits vor 5.000 Zyklen auf, während die 4 × 15 mil Konfiguration mehr als 15.000 Zyklen erreichte. Die gekoppelte thermo-mechanische FEM-Analyse zeigte für die 4 × 15 mil Konfiguration eine geringere akkumulierte äquivalente plastische Dehnung, was mit der längeren experimentell beobachteten Lebensdauer übereinstimmt. Die Ergebnisse gelten für das im Paper untersuchte Moduldesign und die dort verwendeten Testbedingungen.
Im untersuchten Modul zeigte die Konfiguration mit vier 15-mil-Aluminiumdrähten eine höhere Power-Cycling-Zuverlässigkeit als die Konfiguration mit drei 20-mil-Drähten.
Die FEM-Analyse zeigte für die 4 × 15 mil-Konfiguration eine um etwa 36 % geringere akkumulierte plastische Dehnung pro Zyklus. Dies stimmt mit der experimentell beobachteten höheren Anzahl an Zyklen bis zum Ausfall überein.
Die Ergebnisse zeigen, dass neben dem Drahtdurchmesser auch die Anzahl der Bonddrähte einen wesentlichen Einfluss auf die thermomechanische Beanspruchung und Zuverlässigkeit haben kann.
Die Ergebnisse gelten für das im Paper untersuchte Power-Modul, die verwendeten Heavy-Aluminium-Bonddrähte, die beiden Konfigurationen 3 × 20 mil und 4 × 15 mil sowie die beschriebenen Power-Cycling- und Simulationsbedingungen.
Untersucht wurde ein ACEPAK-SMIT-Modul mit vier Siliziumdioden auf DBC-Substrat. Die Bonddrähte wurden mittels Ultraschall-Wedge-Bonding hergestellt. Im Power-Cycling-Test betrug der Junction-Temperaturhub ΔTj = 80 °C.
Die Ergebnisse sind daher keine allgemeingültige Regel, dass eine größere Anzahl dünnerer Drähte grundsätzlich zuverlässiger ist. Andere Drahtwerkstoffe, Drahtdurchmesser, Drahtanzahlen, Bondgeometrien, Module, Lastprofile und Randbedingungen müssen separat bewertet werden.
Research Source
Boutaleb, M., Roqueta, F., Moreau, F., Brenet, Y., Barreau, L.
Thermomechanical Reliability of Bond Wires in Power Modules subjected to Power Cycling
2025 26th International Conference on Thermal, Mechanical and Multi-Physics Simulation and Experiments in Microelectronics and Microsystems (EuroSimE), IEEE
Engineering Insight PDF herunterladen (Englisch)