Title (eng)
A fast mechanical test technique for lifetime investigations of miniaturized interconnects
Parallel title (deu)
Beschleunigte Lebensdaueruntersuchung von miniaturisierten Materialverbindungen
Author
Alice Marie Lassnig
Advisor
Golta Khatibi
Assessor
Golta Khatibi
Abstract (deu)
Hauptziel dieser Diplomarbeit war es die Anwendbarkeit eines beschleunigten, mechanischen Lebensdaueprüfsystems für die Charakterisierung von miniaturisierten Cu-Al Ball Bond-Verbindungen zu untersuchen. Aufgrund der bestehenden Mängel konventioneller Zuverlässigkeitstests sind neue Zuverlässigkeitsprüfverfahren für solche Materialverbindungen erforderlich.
Die oben erwähnte Methode wurde auf solche miniaturisierte Materialverbindungen mit einem komplexen Design, Materialverbindung und Geometrie mithilfe eines geeigneten Aufbaus und einer Probenpräparation durch Löten angewendet. Es konnten Lebenskurven im Bereich der Zeitschwingfestigkeit aufgenommen werden bei welchen die auftretende Ermüdungsbruchart ein sog. Lift-off der Materialverbindung war.
Da Mikroelektronikbauteile während ihres Einsatzes im Betrieb hohen Temperaturen und Temperaturzyklen ausgesetzt sind, wurde die Mikrostrukturentwicklung der Cu-Al-Verbindungen bei einer Hochtemperaturlagerung und deren Auswirkung auf die Lebensdauer der Mikroverbindungen untersucht. Die hierfür gewählten Alterungsprofile waren 200°C/1000h und 300°C/50h, welche die Betriebsbedingungen widerspiegeln. Mikrostrukturuntersuchungen der Querschnitte von gealterten Bauteilen zeigten Schichten unterschiedlicher intermetallischer Verbindungen, welche hauptsächlich als Al2Cu und Al4Cu9 identifiziert werden konnten. An den Phasengrenzen konnten Kirkendall-Löcher und Risse beobachtet werden. Diese mikrostrukturellen Eigenschaften und Defekte konnten mit der Bindefestigkeit solcher Verbindungen, welche durch Schertests ermittelt wurde, korreliert werden.
Aufgrund der vorhandenen Schäden in den Bondverbindungen der bei hohen Temperaturen ausgelagerten Proben, konnte die oben genannte Prüfmethode nicht angewendet werden. Es wurden daher alternative Testverfahren im Fall der vorgeschädigten Proben vorgeschlagen.
Abstract (eng)
The main objective of the present diploma thesis was to study the applicability of an
accelerated mechanical fatigue testing method for the evaluation of the bonding quality
of miniaturized Cu-Al ball bonded interconnects. Due to deficiencies of conventional evaluation methods new methods for reliability assessment of interconnects in microelectronic devices are required.
The above-mentioned method was adapted to these miniaturized interconnects with a complex design, material combination and geometry by development of a special specimen preparation technique based on soldering and a suitable set-up. High cycle fatigue life curves could be obtained by inducing typical wirebond lift-off failure in the interface of Cu wire bonds to Al metallization pads.
As microelectronic devices are subjected to high temperatures and thermal cycles during the service life, microstructural evolution of the Cu-Al interconnects under high temperature storage (HTS) conditions and its effect on the lifetime of those devices were investigated. The chosen HTS profiles for this investigation were 200°C/1000h and 300°C/50h resembling real operation conditions in an accelerated manner.
Microstructural investigations of the cross sections of the aged specimens revealed
different IMC layers which were mainly identified as Al2Cu and Al4Cu9 containing
various defects such as cracks and voids. These microstructural features and defects could be correlated to the bonding strength of the Cu-Al ball bonds determined by shear tests.
Due to the presence of many defects in the bonding interface of aged specimens prior to testing, fatigue life curves could not be obtained for these devices. Thus alternative testing procedures were proposed.
Keywords (deu)
BallbondsErmüdungWöhlerkurveHochtemperaturlagerungSchertest
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1273580
rdau:P60550 (deu)
IV, 81 S., Ill.
Number of pages
88
Association (deu)
Title (eng)
A fast mechanical test technique for lifetime investigations of miniaturized interconnects
Parallel title (deu)
Beschleunigte Lebensdaueruntersuchung von miniaturisierten Materialverbindungen
Author
Alice Marie Lassnig
Abstract (deu)
Hauptziel dieser Diplomarbeit war es die Anwendbarkeit eines beschleunigten, mechanischen Lebensdaueprüfsystems für die Charakterisierung von miniaturisierten Cu-Al Ball Bond-Verbindungen zu untersuchen. Aufgrund der bestehenden Mängel konventioneller Zuverlässigkeitstests sind neue Zuverlässigkeitsprüfverfahren für solche Materialverbindungen erforderlich.
Die oben erwähnte Methode wurde auf solche miniaturisierte Materialverbindungen mit einem komplexen Design, Materialverbindung und Geometrie mithilfe eines geeigneten Aufbaus und einer Probenpräparation durch Löten angewendet. Es konnten Lebenskurven im Bereich der Zeitschwingfestigkeit aufgenommen werden bei welchen die auftretende Ermüdungsbruchart ein sog. Lift-off der Materialverbindung war.
Da Mikroelektronikbauteile während ihres Einsatzes im Betrieb hohen Temperaturen und Temperaturzyklen ausgesetzt sind, wurde die Mikrostrukturentwicklung der Cu-Al-Verbindungen bei einer Hochtemperaturlagerung und deren Auswirkung auf die Lebensdauer der Mikroverbindungen untersucht. Die hierfür gewählten Alterungsprofile waren 200°C/1000h und 300°C/50h, welche die Betriebsbedingungen widerspiegeln. Mikrostrukturuntersuchungen der Querschnitte von gealterten Bauteilen zeigten Schichten unterschiedlicher intermetallischer Verbindungen, welche hauptsächlich als Al2Cu und Al4Cu9 identifiziert werden konnten. An den Phasengrenzen konnten Kirkendall-Löcher und Risse beobachtet werden. Diese mikrostrukturellen Eigenschaften und Defekte konnten mit der Bindefestigkeit solcher Verbindungen, welche durch Schertests ermittelt wurde, korreliert werden.
Aufgrund der vorhandenen Schäden in den Bondverbindungen der bei hohen Temperaturen ausgelagerten Proben, konnte die oben genannte Prüfmethode nicht angewendet werden. Es wurden daher alternative Testverfahren im Fall der vorgeschädigten Proben vorgeschlagen.
Abstract (eng)
The main objective of the present diploma thesis was to study the applicability of an
accelerated mechanical fatigue testing method for the evaluation of the bonding quality
of miniaturized Cu-Al ball bonded interconnects. Due to deficiencies of conventional evaluation methods new methods for reliability assessment of interconnects in microelectronic devices are required.
The above-mentioned method was adapted to these miniaturized interconnects with a complex design, material combination and geometry by development of a special specimen preparation technique based on soldering and a suitable set-up. High cycle fatigue life curves could be obtained by inducing typical wirebond lift-off failure in the interface of Cu wire bonds to Al metallization pads.
As microelectronic devices are subjected to high temperatures and thermal cycles during the service life, microstructural evolution of the Cu-Al interconnects under high temperature storage (HTS) conditions and its effect on the lifetime of those devices were investigated. The chosen HTS profiles for this investigation were 200°C/1000h and 300°C/50h resembling real operation conditions in an accelerated manner.
Microstructural investigations of the cross sections of the aged specimens revealed
different IMC layers which were mainly identified as Al2Cu and Al4Cu9 containing
various defects such as cracks and voids. These microstructural features and defects could be correlated to the bonding strength of the Cu-Al ball bonds determined by shear tests.
Due to the presence of many defects in the bonding interface of aged specimens prior to testing, fatigue life curves could not be obtained for these devices. Thus alternative testing procedures were proposed.
Keywords (deu)
BallbondsErmüdungWöhlerkurveHochtemperaturlagerungSchertest
Subject (deu)
Subject (deu)
Type (deu)
Persistent identifier
https://phaidra.univie.ac.at/o:1273581
Number of pages
88
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