Title: Numerical simulation of interface cracks in glued die-attach semiconductor devices
Language: English
Authors: Gager, Jakob
Qualification level: Diploma
Keywords: Linear elastische Bruchmechanik; Grenzfläche; Halbleiterbauelemente; Finite Elemente Methode; Numerische Simulation; Spannungsintensitätsfaktor
linear elastic fracture mechanics; bi-material interface; Semiconductor devices; Finite element method; Numerical Simulation; stress intensity factor
Advisor: Pettermann, Heinz 
Issue Date: 2010
Number of Pages: 108
Qualification level: Diploma
Abstract: 
Die meisten Halbleiterbauelemente sind im Betrieb Temperaturschwankungen oder Temperaturzyklen ausgesetzt. Aufgrund ihres Multi-Material-Aufbaues kommt es dadurch häufig zu beträchtlichen Spannungen an den Grenzflächen. Diese Spannungen können Risse und Delaminationen starten und damit zu einem Kontaktverlust und Bauteilfehler führen. In der vorliegenden Arbeit werden die Spannungs- und Verschiebungsfelder durch Anwendung der Methode der finiten Elemente bestimmt und die Grenzflächenrisse mittels linear elastischer Interface Bruchmechanik bewertet. Um die bruchmechanischen Kenngrößen zu bestimmen werden die "Displacement-Extrapolation-Method" und die "Virtual-Crack-Closure-Technique" verwendet. Basierend auf den Annahmen der linear elastischen Bruchmechanik werden zweidimensionale Modelle mit unterschiedlichen Ausgangsrissen aufgebaut.
Durch die Simulation der Fertigung des Bauteils wird für jedes Modell der fertigungsbedingte Eigenspannungszustand ermittelt. Die thermischen Zyklen werden durch eine einmalige Abkühlung ersetzt und zusammen mit dem Eigenspannungsfeld als Belastung für eine linear elastische Simulation aufgebracht. Aus den Simulationsergebnissen werden die bruchmechanischen Kenngrößen berechnet.
Mit Hilfe einer Parameterstudie zeigt sich, solange sich der Riss in der Grenzfläche zwischen Die-Attach und Vergussmasse befindet, hat eine Variation des effektiven Abstandes (Abstand zwischen Lead Frame Kante und Klebstoff) keinen, aber der Winkel des Bleed-outs einen sehr großen Einfluss auf die bruchmechanischen Kenngrößen. Ein Modell mit einer zweiteiligen, stückweise linearen Geometrie des Bleed-outs bestärkt die Annahme, dass eine konkave Form besonders gute Eigenschaften aufweist.

During service most semiconductor devices are exposed to temperature variations or thermal cycles. Because of the multi-material-design of the devices these thermal loads often induce considerably tractions at the interfaces. These tractions might initiate cracks and delaminations and, therefore, can lead to a device failure due to a loss of electric contact. To derive the stress- and displacement fields the finite element method is applied and the interpretation of the crack situation is based on linear elastic interface fracture mechanic methods. To obtain the fracture parameters, the displacement extrapolation method and the virtual crack closure technique are used. Two-dimensional models with various cracks located in the interface between the individual components, are created. Furthermore, for all models a manufacturing simulation is performed to predict residual stresses. A thermo-elastic simulation covers the cooling down part of a thermal cycle, and a subsequent fracture mechanics analysis gives the fracture mechanics parameter.
A design study reveals that a variation of the effective clearance has no influence on the fracture parameters as long as the crack remains in the die-attach - mould compound interface. Rather, the bleed-out angle is the parameter with the main influence on the crack tips in this basic configuration. By means of a more realistic bleed out shape model the concave shaped bleed out turns out to be an preferable design.
URI: https://resolver.obvsg.at/urn:nbn:at:at-ubtuw:1-29833
http://hdl.handle.net/20.500.12708/13050
Library ID: AC07806719
Organisation: E317 - Institut für Leichtbau und Struktur-Biomechanik 
Publication Type: Thesis
Hochschulschrift
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