Physicochemical and microstructural approaches for modeling the degradations of power electronic component interconnection

Electro-thermal and thermo-mechanical aging of topside metallic components of semiconductor power devices are the main reasons behind shortening their lifetimes. This study has been conducted to focus on the aging processes at such metallic contacts, composed of metallization layers connected to bonding wires. The approach followed in this study is not like the previous traditional ones, by which the fatigue problem is studied here in a physicochemical way, through interpreting the microstructural changes occurring, and relating them to the degradation processes. The effects of the evolutions in the microstructure and materials properties on aging processes were reviewed from the literature and after applying experimental analysis. Therefore, a correlation was thought about between the device failure's driving force, the crack propagation, and the main physicochemical-microstructural properties affecting the aging processes. Consequently, relationships linking these physicochemical-microstructural aspects to the parameters of the damage-based cohesive zone model were found.As a result, this model combines both finite element Multiphysics modeling and physicochemical-microstructural concepts. When the combination was built, a two-dimensional geometrical model of an IGBT module was constructed using the ANSYS APDL software. Hexagons were integrated at the metallic interconnection positions to represent metallic grains. Cohesive zone models were afterward implemented at the edges of the hexagons in order to interpret the crack evolution microstructurally. This results in hexagons associated with different properties in accordance with the characteristics of the local microstructure. Two separate simulations were subsequently applied. The first one is electrothermal to obtain the thermal distribution among the different components of IGBT upon cycling. Thereafter, a mechanical simulation was applied using the thermal data of the electrothermal simulation to see the distribution of constraints at the metallic contact zone and simulate the crack evolution taking place at the hexagonal edges. The results of these simulations were then compared to some experimental data to see the compatibility of this physicochemical-microstructural model.
Le vieillissement électro-thermique et thermo-mécanique des interconnexions métalliques supérieures des composants de puissance à semi-conducteurs est une de leurs causes de défaillances principales. L'étude s'est concentrée sur le processus de vieillissement du contact métallique entre le film de métallisation des puces et des fils de connexions en aluminium. L'approche suivie dans cette étude est différente des approches traditionnelles précédentes, le problème de la fatigue est étudié ici par un point de vue physico-chimique, en interprétant les changements microstructuraux qui se produisent, et en les reliant aux processus de dégradation. A partir de la littérature et après une analyse de résultats expérimentaux, les effets des évolutions microstructurales et des changements de propriétés des matériaux sur les processus de vieillissement ont été examinés. Ainsi, il est proposé et investigué ici l'hypothèse d'une corrélation entre la cause de la défaillance du dispositif, c-à-d la propagation de fissure, et les principales propriétés physico-chimiques et microstructurales affectant les processus de vieillissement. Des relations reliant les propriétés physicochimiques et de microstructures aux paramètres d'un modèle de zone cohésive (CZM), basé sur l'endommagement, ont été établies. Ce modèle combine à la fois la modélisation multiphysique par éléments finis et les concepts physicochimiques-microstructuraux.Lors de l'élaboration de cette combinaison, un modèle géométrique bidimensionnel d'un module IGBT a été construit. Des éléments de forme hexagonales ont été répartis dans le modèle géométrique au niveau des extrémités du contact du fil/métallisation afin de représenter la structure granulaire. Des modèles distribués de zones cohésives (CZM) ont ensuite été mis en œuvre à l'interface des hexagones afin de simuler la fissuration à travers la décohésion entre grains d'un point de vue microstructurel. Les paramètres CZM sont distribués selon les propriétés et caractéristiques locales observées de la microstructure. Des simulations électro-thermique puis thermomécanique ont été réalisées pour reproduire l'effet d'un cyclage thermique actif. La simulation thermo-mécanique permet d'estimer les distribution de stress et déformations au niveau de la zone de contact métallique et simuler l'évolution de la fissure qui a lieu au niveau des interfaces entre les éléments hexagonaux. Les résultats de ces simulations ont ensuite été confrontés à des données expérimentales pour voir la validité de ce modèle physico-chimique-microstructural.