Zuverlässige Schaltkreis-Verdrahtungen für automobile Radaranwendungen

Die Anzahl von Radarsensoren in Automobilen nimmt – auch im Hinblick auf autonomes Fah­ren – kontinuierlich zu. Deshalb muss die betreffende Elektronik im Automobil für hohe Frequenzen befähigt sein. Im Projekt ARAMID soll eine von GlobalFoundries entwickelte Halbleitertechnologie für automobile Radaranwendungen qualifiziert werden. Dafür entwickelt das Fraunhofer IKTS spezifische Zuverlässigkeitstests für die Prüfung von On-chip-Leiterbahnen in der Verdrahtungsebene von Halbleiterkomponenten.

Elektromigration als Basis der Zuverlässigkeitsprüfung

Klassischerweise besteht die Zuverlässigkeitsprüfung der Verdrahtungsebene in der Mikroelektronik aus dem Prüfen des Verhaltens der Elektromigration (EM) und des zeitabhängigen dielektrischen Durchbruchs (TDDB). Die Arbeiten im Projekt ARAMID fokussierten EM. EM ist ein Transportvorgang von Metallionen in Leitern. Dieser erfolgt bei hohen Stromdichten (~ 10 mA/μm²), die typischerweise in On-chip-Leiterbahnen von Mikroprozessoren auftreten. Die dabei entstehenden Poren (Voids) können zu Ausfällen der Leiterbahn durch Unterbre­chung bzw. Kurzschluss führen. Standardmäßig wird das EM-Verhalten mit Gleichstrom geprüft, beschleunigt durch erhöhte Temperatur und erhöhten Strom. Für die Qualifizierung der Technologie für Radaranwendungen muss zusätzlich der Einfluss von Hochfrequenzsigna­len (HF) untersucht werden. Dazu wurde ein HF-Messplatz eingerichtet (Bild 1). Der Mess­platz besteht aus einem Waferprober mit Heizplatte, einem Netzwerkanalysator, einer kom­binierten Quellen- und Mess-Einheit (SMU) für die Strommessung inklusive Überlagerung mit Gleichspannung. Mit diesem Aufbau können Frequenzen bis 90 GHz und eine Temperatur bis 300 °C erreicht werden. Bei der Evaluie­rung des experimentellen Aufbaus zeigte sich, dass für die verwendeten Temperaturen, Ströme und Zeitbereiche zunächst keine Unterschiede zwischen HF und nicht-HF festzustellen waren. In der für EM-Vorgänge kurzen Ver­suchszeit konnten erwartungsgemäß keine Widerstandsänderungen durch mögliche EM-Degradation nachgewiesen werden. Deshalb werden gegenwärtig die Ströme und Tempe­raturen erhöht.

Thermomechanisch-elektrische Versuche

Weitere Einflussparameter auf die EM sind mechanische Spannungen. Diese nehmen zu, da mehr Leistungselektronik in der Automobil-technik bis zu einer Temperatur von 250 °C arbeitet und neues Nutzungsverhalten (Car-Sharing) mit häufigerem Start/Stopp zu zahlreicheren Temperaturzyklen führt, was die Materialermüdung fördert. Daher wird am Fraunhofer IKTS mit speziellen Biegestationen (Bild 2) untersucht, wie sich mechanische Spannungen auf das EM-Verhalten auswirken. Zusätzlich wird die Materialermüdung in thermomechanisch-elektrischen Versuchen unter zyklischer Temperaturbelastung in einer Klimakammer geprüft.

Diese Untersuchungen leisten einen Beitrag zur Erhöhung der Lebensdauer künftiger mikroelektronischer Bauteile für die Automobiltechnik und damit auch zu mehr Sicherheit und Nachhaltigkeit. Sie bilden zudem die Grundlage für weitergehende Aufträge aus dem Bereich der Zuverlässigkeit für die Automobilelektronik.