Thermomechanical fatigue damage modeling and material parameter calibration for thin film metallizations

材料科学 结构工程 校准 振动疲劳 热的 半导体 复合材料 疲劳试验 工程类 统计 数学 物理 光电子学 气象学
作者
Paul Hoffmann,Sebastian J. Moser,Corinna Kofler,Michael Nelhiebel,Daniel Tscharnuter,Balamurugan Karunamurthy,Heinz E. Pettermann,Melanie Todt
出处
期刊:International Journal of Fatigue [Elsevier BV]
卷期号:155: 106627-106627 被引量:8
标识
DOI:10.1016/j.ijfatigue.2021.106627
摘要

Numerical fatigue damage models can help to save cost and time when studying fatigue damage in the copper metallization layers of power semiconductor devices. However, their predictive capabilities strongly depend on the parameters associated with these models. This paper presents a strategy for calibrating parameters of a numerical fatigue damage model using experimental results from thermomechanical fatigue experiments. Fatigue damage is predicted by the Fatemi–Socie critical plane method in combination with a Coffin–Manson law. Experimentally, test devices are utilized which can reproduce loading conditions that approximate those occurring in real semiconductor devices. Damage is measured in form of visible surface cracks by the means of surface imagery. Experimental results from devices with pronounced lateral thermal gradients are used for calibrating the fatigue parameters of the Coffin–Manson law. Eventually, the model with the calibrated fatigue parameters is used to predict fatigue damage for a second experiment with different loading conditions. For all investigated test devices the numerical predictions are in good agreement with experimental results. The simulations show that significantly more damage occurs in regions with higher temperatures and that the surface topology has a strong influence on local fatigue damage.
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