Gallium Nitride (GaN) specific mechanical phenomena and their influence on reliability in power HEMT operation

Abstract

In recent years Gallium Nitride (GaN) has entered the market for power devices on a broader scale, increasing the need for a deeper understanding of fundamental interactions within such devices. Extensive research has been conducted in the field of electric effects since the main differences of GaN over Silicon (Si) lie there. In contrast to this, this thesis will focus on new mechanical and thermo-mechanical phenomena, previously not occurring in Si devices. Chapter 3 will introduce the interactions of the mechanical stress, the temperature and the electric field. The effects connecting these state variables are explained in detail and it will be shown which effects can be neglected and which ones need closer investigations. In Chapter 4 the thermal capabilities under massive thermal overload, caused by a short circuit pulse, are discussed. The setup, which is used to stress the chips until failure, is presented. Failed devices are analyzed extensively by in depth physical failure inspection methods. Root cause analysis is done by means of Finite Element Analysis (FEA) and in depth physical failure analysis, finally enabling to provide suggestions for improvements in this particular failure mode. Chapter 5 will elaborate on resonance phenomena in GaN. Since GaN is piezoelectric it can act as an actuator to resonate the whole chip assembly. This phenomenon is measured in two steps and subsequently investigated by FEA. The Finite Element (FE) simulation results are validated against the measurements to ensure the correctness of the FE model. From these simulations conclusions regarding the reliability of the two most failure prone layers, namely the GaN stack and the die attach layer, are drawn. Additionally extreme cases are discussed giving an outlook on this issue in advanced package assemblies.

In den letzten Jahren ist Gallium Nitride (GaN) auf dem Markt für Leistungsbauelemente in größerem Maßstab angekommen, wodurch die Notwendigkeit eines tieferen Verständnisses der grundlegenden Interaktionen im Chip notwendig geworden ist. Umfangreiche Forschung wurde auf dem Gebiet der elektrischen Effekte durchgeführt, da dort die wichtigsten Unterschiede gegenüber Silicon (Si) liegen. Im Gegensatz zur generellen Forschungsrichtung fokussiert sich diese Arbeit auf neue mechanische und thermo-mechanische Phänomene, die bisher in Si Bauteilen nicht vorhanden waren. In Kapitel 3 wird die Wechselwirkung von mechanischer Spannung, Temperatur und elektrischem Feld besprochen. Die physikalischen Effekte, die diese Zustandsgrößen verbinden, werden im Detail erklärt und es wird gezeigt, welche Effekte aufgrund ihrer Größe sicher vernachlässigt werden können und welche einer näheren Untersuchung bedürfen. In Kapitel 4 werden die thermischen Fähigkeiten bei massiver thermischer Überlastung, die durch einen Kurschluss verursacht wird, diskutiert. Der Testaufbau, auf dem die Chips bis zum Ausfall gestresst werden, wird vorgestellt. Anschließend werden die ausgefallenen Bauelemente analysiert und die Grundursache mit Hilfe von der Finite Element Analysis (FEA) und einer umfassenden, detaillierten physikalischen Fehleranalyse erklärt. Zusätzliche Vorschläge für Verbesserungen in diesem speziellen Versagensmodus werden am Ende gegeben. Kapitel 5 gibt Einblicke in die Resonanzphänomene bei GaN. Da GaN piezoelektrisch ist kann es als Aktuator fungieren, um den gesamte Chip in Resonanz zu bringen. Dieses Phänomen ist vermessen worden und wird anschließend durch FEA simuliert. Die Simulation wird dann gegen die Messung validiert, um die Richtigkeit der Simulation sicherzustellen. Aus diesen Simulationen werden Schlussfolgerungen bezüglich der Zuverlässigkeit der beiden am meisten gefährdeten Schichten, der GaN Schicht und Chip Verbindungsschicht, gezogen. Zusätzlich werden am Ende Extremfälle diskutiert, die einen Ausblick auf kommende Chipgehäuse geben sollen.