Hrg. Thomas Wiesner,
"Örtlich hochaufgelöste Messung von Magnetfeldern"
, 1-2012
Original Titel:
Örtlich hochaufgelöste Messung von Magnetfeldern
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Im bestimmten Anwendungsgebieten der Leistungselektronik sind Halbleiterbauelemente einer zyklischen thermischen Belastung ausgesetzt. Diese führt aufgrund unterschiedlicher thermischer Ausdehnungskoeffzienten zu einem mechanischen Dauerfestigkeitsproblem der Bondverbindungen, welches einen wesentlichen Aspekt für Lebensdauer und Ausfallsicherheit darstellt. Als Teil des COMET K-Projektes micromat "Reliability and lifetime of material interconnects in electronics" wurde in dieser Diplomarbeit die Möglichkeit untersucht, die Detektion von Rissen in Bondverbindungen auf Basis einer Magnetfeldmessung durchzuführen, um die systematische Prüfung von Bondverbindungen zu vereinfachen.
Anhand von theoretischen Überlegungen wurden Möglichkeiten für Rückschlüsse von der Magnetfeldgeometrie auf die Stromverteilung bzw. Geometrie des Testobjektes untersucht. Weiters wurden die bei der Skalierung eines Magnetfeldproblems gültigen Ähnlichkeitsgesetze hergeleitet.
Drei leicht erhältliche Magnetfeldsensoren wurden auf ihre Eignung für die örtlich hochaufgelöste Erfassung von Magnetfeldern untersucht.
Mithilfe von Open-Source FEM-Simulationen wurden an einem vereinfachten Modell der Bondverbindung die durch einen Riss verursachten Veränderungen des Magnetfeldes untersucht. Die Ergebnisse wurden bezüglich der messtechnischen Auswertung beurteilt und ein Messkonzept entwickelt, welches mittels einer Sensorspule um die Bondverbindung Abweichungen vom intakten Zustand erfasst. Anschließend folgten genauere Untersuchungen des Konzeptes mit der kommerziellen FEM-Software Comsol Multiphysics.
Zum Abschluss wurde das Konzept an einem Labormodell im Maßstab 31.25:1, bei dem ein Riss kontrolliert simulierbar ist, erprobt. Das Labormodell bestätigte die Funktion des Messkonzeptes sowie die Messbarkeit der auftretenden Sensorspannungen im 100nV-Bereich.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Magnetic field measurement with high spatial resolution
Englische Kurzfassung:
Semiconductor devices in specific fields of power electronics are exposed to thermal cycling.
Different coefficients of thermal expansion lead to fatigue strength problems of the bond interconnects. Therefore, the fatigue strength of bond interconnects is an important aspect of the device's lifetime and reliability.
As a part of the COMET K-project micromat "Reliability and lifetime of material interconnects in electronics" this diploma thesis deals with possibilities to detect cracks in interconnects based on measurements of the magnetic field and thus simplify the systematic testing of interconnects.
Possibilities to determine the current distribution and geometry of the tested object based on the magnetic field geometry were investigated theoretically. Additionally, scalability laws describing the behaviour of a scaled magnetic field problem were derived.
The applicability of three easily available magnetic field sensors for high spatial resolution magnetic field measurements was investigated.
FEM simulations of a simplified model of a bond interconnection using open source software were used to investigate the magnetic field changes caused by a crack. Based on the results, a measurement concept which uses a sensor coil around the interconnect and detects deviations from the faultless condition was developed.
Afterwards, the commercial Comsol Multiphysics FEM software was used to investigate the measurement concept more closely.
Finally, the concept was tested on a laboratory model which is a 31.25 times enlarged model of the interconnect and allows a controlled crack simulation. The laboratory model confirmed the measurement concept and the measurability of the sensor output voltage in the 100nV range.