Thermo-mechanical Simulation and Experimental Characterization of Power Semiconductor Devices' Packaging Processes

Power modules are increasingly used in a variety of applications ranging from aircraft and mass transport systems, to industrial motor control and domestic power conversion. Power modules play a main role in the development of the Electric and Hybrid Electric Vehicles’ powertrain, in which the energy conversion is managed by inverter. It is made by semiconductor devices (power modules) and it is managed by a dedicated control logic. In order to build EVs and HEVs more and more competitive in terms of performance and autonomy, semiconductor devices with increased performances have been developed, such as Silicon Carbide (Sic) Power MOSFETs. Due to the improved performance and more agressive operative conditions in terms of temperature and mechanical stress, the introduction of SiC compound implies the re-design of package to optimize the power module’s reliability. From a thermo-structural point of view, thermal stress affects the component and the interfaces inside a power device package. Finite Element Method (FEM), correlated with experiments, permits to study the effect of packaging process on the mechanical robustness and to predict the wear-out occurrence in the device mission profile. The presented thesis proposes calculation methodologies based on numerical finite element models, aimed to support package design in different phases. Novel experimental analyses are employed to characterize packaging processes and to validate the developed numerical model. In this framework, after a preliminary literature review, it is analysed the bond-pad stress-deformation responses during ball-bonding process developing a predictive finite element model and employing challenging experiments to characterize the ball-bonding process and to validate the model. Then, it is explained the material characterization and the calculation methodology considered to optimize a specific power module’s component, the ceramic substrate. Moreover, the silver sintering technology for die attach is introduced. The related manufacturing process is assessed by reliability stress, dedicated physical analysis and predictive numerical model.

I moduli di potenza basati su dispositivi a semiconduttore rivestono un ruolo centrale in varie applicazioni, dai controlli industriali alla domotica. In particolare, i moduli di potenza risultano cruciali nello sviluppo dei veicoli elettrici e ibridi in quanto il trasferimento di energia tra la batteria e il motore elettrico è gestito proprio dai dispositivi a semiconduttore dei moduli, pilotati con un’opportuna logica di controllo. Dispositivi con migliori prestazioni rispetto ai classici device in silicio permettono di aumentare l’efficienza e l’autonomia dei veicoli a trazione elettrica o ibrida. A tal proposito rivestono un ruolo fondamentale i transistor MOSFET in carburo di silicio (SiC). Considerando le più elevate performance di tali dispositivi è necessario riprogettare l’intero package per ottimizzarne la resa affidabilistica per fare fronte alle condizioni operative più estreme in termini di temperatura e stress meccanici. Infatti, da un punto di vista termo-strutturale, i componenti e le interfacce sono affetti ciclicamente dallo stress dovuto alla variazione di temperatura indotta sia dal self-heating dei dispositivi che dalle variazioni della temperatura esterna. Il metodo agli elementi finiti, correlato con opportune prove sperimentali, permette di studiare l’impatto dello stress meccanico indotto dai processi di packaging sulla robustezza meccanica della struttura e di stimare l’invecchiamento durante il profilo di missione dei clienti. La seguente tesi propone alcune metodologie di calcolo basata su modelli numerici agli elementi finiti il cui scopo è supportare il progetto del package in diverse fasi. Sono state effettuate alcune analisi sperimentali per caratterizzare i processi di packaging e per validare i modelli numerici sviluppati. In questo contesto e dopo un’analisi preliminare di letteratura, è stato inizialmente analizzata la risposta del sistema bond-pad in termini di stress-deformazione durante il processo di ball-bonding. A tale scopo, è stato sviluppato un modello predittivo agli elementi finiti e sono state effettuate delle prove sperimentali per caratterizzare il processo di ball-bonding e validare il modello di calcolo. Un altro tema discusso è stato la caratterizzazione dei materiali e lo sviluppo del modello di calcolo finalizzati alla ottimizzazione di uno specifico componente del modulo di potenza, il substrato ceramico. Infine, è stata introdotta la tecnologia di sintering mediante argento per il die attach. Il relativo processo manifatturiero è stato validato mediante stress affidabilistico, dedicate analisi fisiche e sviluppando un modello numerico predittivo.