Detektion fehlerhafter Bonddrahtverbindungen in Integrierten Schaltkreisen mittels eines für örtlich hochaufgelöste Magnetfeldmessungen entwickelten GMR-Zeilenarrays

Patrick Hölzl

Detektion fehlerhafter Bonddrahtverbindungen in Integrierten Schaltkreisen mittels eines für örtlich hochaufgelöste Magnetfeldmessungen entwickelten GMR-Zeilenarrays

Translated title of the contribution: Detection of defective bond wire connections in integrated circuits utilizing a GMR line array developed for magnetic field measurements with high spatial resolution

Patrick Hölzl

Institute of Measurement Technology

Research output: Thesis › Doctoral thesis

Abstract

The electrical interconnection between the semiconductor chip and its output pins, which is often realized by bond wires, is a crucial factor for power electronic components. To guarantee the current carrying capacity of the interconnections, redundant bond wires are typically implemented. However, due to this redundancy conventional electrical tests are not able to detect missing or insufficiently connected bond wires. The semiconductor manufacturer Infineoen initiated therefore the present PhD thesis, to develop a measurement method to detect such bonding faults. The developed method determines the current flowing within each bond wire based on the magnetic field distribution measured above the component. To evaluate the developed measurement method, the MOSFET power switch BTS5120-2EKA from Infineon was selected. Based on milling layer pictures of a BTS5120-2EKA a simplified geometric model of all current carrying bond wires was designed, consisting of six straight line conductor segments per wire. Utilizing the straight line conductor model and the law of biot-savart it was possible to calculate the magnetic field distribution above the component analytically. The results obtained from this calculations were essential for the design process of a magnetic sensor line array, consisting of 26 GMR sensor elements. With the GMR sensor line array the field distributions above 400 samples, 100 BTS5120-2EKA and 300 test chips with different fault permutations of the bond wires were measured. Based on the measured data an inverse problem for determining the current flow within the bond wires was established and this was solved by means of two different approaches, a model-based and a data-based one. Using a threshold value method for the determined current flow values, it was possible to detect up to 99.33% of all fault permutation test chips without a misclassification of a single faultless BTS5120-2EKA.

Translated title of the contribution	Detection of defective bond wire connections in integrated circuits utilizing a GMR line array developed for magnetic field measurements with high spatial resolution
Original language	German (Austria)
Publication status	Published - Apr 2018

Fields of science

202012 Electrical measurement technology
202014 Electromagnetism
202021 Industrial electronics
202036 Sensor systems
202 Electrical Engineering, Electronics, Information Engineering
202016 Electrical engineering
202027 Mechatronics
202037 Signal processing
202039 Theoretical electrical engineering
103021 Optics

JKU Focus areas

Mechatronics and Information Processing

Cite this

@phdthesis{d5b5412ca8d94e01822ce26cadf593ba,

title = "Detektion fehlerhafter Bonddrahtverbindungen in Integrierten Schaltkreisen mittels eines f{\"u}r {\"o}rtlich hochaufgel{\"o}ste Magnetfeldmessungen entwickelten GMR-Zeilenarrays",

abstract = "Bei Leistungselektronikkomponenten ist die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und den Ausgangspins, die h{\"a}ufig durch Bonddr{\"a}hte realisiert wird, von entscheidender Bedeutung. Um die Strombelastbarkeit der Verbindung zu garantieren, werden redundante Bonddr{\"a}hte verwendet. Durch die Redundanz sind elektrische Funktionstests jedoch nicht mehr in der Lage fehlende oder nicht vollst{\"a}ndig verbundene Bonddr{\"a}hte zu erkennen. Aus diesem Grund wurde in Kooperation mit dem Halbleiterhersteller Infineon ein entsprechendes Detektionsverfahren entwickelt. Das Verfahren nutzt die {\"u}ber dem Bauteil gemessene Verteilung des Magnetfelds, um auf den Stromfluss in den einzelnen Bonddr{\"a}hten zur{\"u}ckzurechnen. Zur Evaluierung des Messverfahrens wurde der MOSFET-Leistungshalbleiterschalter BTS5120-2EKA von Infineon ausgew{\"a}hlt. Anhand mehrerer Fr{\"a}sschichtaufnahmen eines ICs wurde ein vereinfachtes geometrisches Modell aller stromf{\"u}hrenden Bonddr{\"a}hte konstruiert, bestehend aus jeweils sechs geraden Linienleitersegmenten pro Draht. Basierend auf der Linienleiter-Modellierung konnte die r{\"a}umliche Verteilung des Magnetfelds {\"u}ber dem IC mit dem Gesetz von Biot-Savart analytisch berechnet werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse waren ausschlaggebend f{\"u}r den Entwurf eines Magnetfeldsensor-Zeilenarrays, bestehend aus 26 GMR-Sensorelementen. Mit dem Magnetfeldsensor-Zeilenarray wurden die Feldverteilungen oberhalb von 400 ICs, 100 BTS5120-2EKA und 300 Testchips mit verschiedenen Fehlerpermutationen der Bonddr{\"a}hte, gemessen. Ausgehend von den Messdaten wurde ein inverses Problem zur Bestimmung des Stromflusses in den Bonddr{\"a}hten aufgestellt und dieses mittels zweier unterschiedlicher Ans{\"a}tze, einem modell- und einem datenbasierten, gel{\"o}st. Unter Verwendung eines auf den Sch{\"a}tzwerten der Bonddrahtstr{\"o}me beruhenden Schwellwertverfahrens konnten schlussendlich bis zu 99.33\% aller fehlerhaften Testchips detektiert werden, ohne eine einzige Falschklassifizierung eines fehlerfreien.",

author = "Patrick H{\"o}lzl",

year = "2018",

month = apr,

language = "Deutsch ({\"O}sterreich)",

}

TY - BOOK

T1 - Detektion fehlerhafter Bonddrahtverbindungen in Integrierten Schaltkreisen mittels eines für örtlich hochaufgelöste Magnetfeldmessungen entwickelten GMR-Zeilenarrays

AU - Hölzl, Patrick

PY - 2018/4

Y1 - 2018/4

N2 - Bei Leistungselektronikkomponenten ist die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und den Ausgangspins, die häufig durch Bonddrähte realisiert wird, von entscheidender Bedeutung. Um die Strombelastbarkeit der Verbindung zu garantieren, werden redundante Bonddrähte verwendet. Durch die Redundanz sind elektrische Funktionstests jedoch nicht mehr in der Lage fehlende oder nicht vollständig verbundene Bonddrähte zu erkennen. Aus diesem Grund wurde in Kooperation mit dem Halbleiterhersteller Infineon ein entsprechendes Detektionsverfahren entwickelt. Das Verfahren nutzt die über dem Bauteil gemessene Verteilung des Magnetfelds, um auf den Stromfluss in den einzelnen Bonddrähten zurückzurechnen. Zur Evaluierung des Messverfahrens wurde der MOSFET-Leistungshalbleiterschalter BTS5120-2EKA von Infineon ausgewählt. Anhand mehrerer Frässchichtaufnahmen eines ICs wurde ein vereinfachtes geometrisches Modell aller stromführenden Bonddrähte konstruiert, bestehend aus jeweils sechs geraden Linienleitersegmenten pro Draht. Basierend auf der Linienleiter-Modellierung konnte die räumliche Verteilung des Magnetfelds über dem IC mit dem Gesetz von Biot-Savart analytisch berechnet werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse waren ausschlaggebend für den Entwurf eines Magnetfeldsensor-Zeilenarrays, bestehend aus 26 GMR-Sensorelementen. Mit dem Magnetfeldsensor-Zeilenarray wurden die Feldverteilungen oberhalb von 400 ICs, 100 BTS5120-2EKA und 300 Testchips mit verschiedenen Fehlerpermutationen der Bonddrähte, gemessen. Ausgehend von den Messdaten wurde ein inverses Problem zur Bestimmung des Stromflusses in den Bonddrähten aufgestellt und dieses mittels zweier unterschiedlicher Ansätze, einem modell- und einem datenbasierten, gelöst. Unter Verwendung eines auf den Schätzwerten der Bonddrahtströme beruhenden Schwellwertverfahrens konnten schlussendlich bis zu 99.33% aller fehlerhaften Testchips detektiert werden, ohne eine einzige Falschklassifizierung eines fehlerfreien.

AB - Bei Leistungselektronikkomponenten ist die elektrische Verbindung zwischen dem Halbleiterchip und den Ausgangspins, die häufig durch Bonddrähte realisiert wird, von entscheidender Bedeutung. Um die Strombelastbarkeit der Verbindung zu garantieren, werden redundante Bonddrähte verwendet. Durch die Redundanz sind elektrische Funktionstests jedoch nicht mehr in der Lage fehlende oder nicht vollständig verbundene Bonddrähte zu erkennen. Aus diesem Grund wurde in Kooperation mit dem Halbleiterhersteller Infineon ein entsprechendes Detektionsverfahren entwickelt. Das Verfahren nutzt die über dem Bauteil gemessene Verteilung des Magnetfelds, um auf den Stromfluss in den einzelnen Bonddrähten zurückzurechnen. Zur Evaluierung des Messverfahrens wurde der MOSFET-Leistungshalbleiterschalter BTS5120-2EKA von Infineon ausgewählt. Anhand mehrerer Frässchichtaufnahmen eines ICs wurde ein vereinfachtes geometrisches Modell aller stromführenden Bonddrähte konstruiert, bestehend aus jeweils sechs geraden Linienleitersegmenten pro Draht. Basierend auf der Linienleiter-Modellierung konnte die räumliche Verteilung des Magnetfelds über dem IC mit dem Gesetz von Biot-Savart analytisch berechnet werden. Die daraus gewonnenen Erkenntnisse waren ausschlaggebend für den Entwurf eines Magnetfeldsensor-Zeilenarrays, bestehend aus 26 GMR-Sensorelementen. Mit dem Magnetfeldsensor-Zeilenarray wurden die Feldverteilungen oberhalb von 400 ICs, 100 BTS5120-2EKA und 300 Testchips mit verschiedenen Fehlerpermutationen der Bonddrähte, gemessen. Ausgehend von den Messdaten wurde ein inverses Problem zur Bestimmung des Stromflusses in den Bonddrähten aufgestellt und dieses mittels zweier unterschiedlicher Ansätze, einem modell- und einem datenbasierten, gelöst. Unter Verwendung eines auf den Schätzwerten der Bonddrahtströme beruhenden Schwellwertverfahrens konnten schlussendlich bis zu 99.33% aller fehlerhaften Testchips detektiert werden, ohne eine einzige Falschklassifizierung eines fehlerfreien.

UR - http://www.jku.at/emt

M3 - Dissertation

ER -

Detektion fehlerhafter Bonddrahtverbindungen in Integrierten Schaltkreisen mittels eines für örtlich hochaufgelöste Magnetfeldmessungen entwickelten GMR-Zeilenarrays

Abstract

Fields of science

JKU Focus areas

Other files and links

Cite this