Fatigue investigations of miniaturized and bulk Al-Cu bond interfaces

Alice Marie Lassnig

You are here: University of Vienna PHAIDRA Detail o:1319691

Title (eng)

Parallel title (deu)

Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens miniaturisierter und massiver Al-Cu Bondverbindungen

Author

Alice Marie Lassnig

Advisor

Michael Zehetbauer

Golta Khatibi

Assessor

Heinz-Werner Höppel

Martina Zimmermann

Abstract (deu)

In der Mikroelektronik dienen miniaturisierte Cu-Al Ball-Bond-Verbindungen zur Kontaktierung integrierter Schaltkreise. Diese werden im Betrieb nicht nur mechanischen, thermischen sowie elektrischen Spannungen, sondern auch erhöhten Temperaturen ausgesetzt, welche zur Bildung spröder intermetallischer Phasen an der Grenzfläche zwischen Cu und Al Schichten führen. Zurzeit wird die Qualität dieser Bond-Verbindungen mittels standardisierter statischer Ball-Scher-Tests erfasst, welche aber keine Rückschlüsse auf die zyklische Belastbarkeit dieser Bond- Verbindungen zulassen. Indem es das Ziel der vorliegenden Dissertation war, das mechanische Ermüdungsverhalten von Cu-Al Bondverbindungen in mikroelektronischen Bauteilen zu untersuchen, wurde eine neue Ermüdungsmethode zum Test derartiger Verbindungen entwickelt. Dadurch war es möglich, nicht nur verlässliche Ermüdungskurven zu gewinnen, sondern auch den Einfluss unterschiedlicher Mikrozustände der Bond- Verbindung zu studieren. Detaillierte Analysen der Ermüdungsbruchflächen zeigten charakteristische Bruchflächen-Morphologien, die ebenfalls von der mikrostrukturellen Entwicklung der intermetallischen Schichten abhängen. Während die standardisierten statischen Schertests keine signifikante Abnahme der Scherkraft mit fortschreitender Ausbildung der intermetallischen Phasen zeigten, bewiesen die Ermüdungsversuche eine eindeutige Abnahme der zyklischen Festigkeit. Um die Einflüsse des Belastungsmodus und der intermetallischen Phasenbildung auf die Ermüdungsfestigkeit zu separieren, wurden ergänzende Untersuchungen an makroskopischen Modelldiffusionsproben durchgeführt. Hierbei wurde ein spezieller Aufbau gewählt, der es erlaubte, wohldefinierte verschiedene Kombinationen der Belastungsmoden I und II zu realisieren. Es konnte u.a. auch mittels in-situ TEM-Untersuchungen gezeigt werden, dass die Rissinitiierung in der Al-Schicht erfolgt, gleichgültig ob es sich dabei um die mikroskopischen oder die makroskopischen Proben handelt. Liegen intermetallische Phasen in der Materialverbindung vor, wird der Riss in diese Phase abgelenkt, was zu früherem Bruch bzw. Verminderung der Lebensdauer führt. Außerdem wurde gezeigt, dass insbesondere bei ausgeprägter Scherbelastung mit einem verfrühten Ausfall der Bauteile zu rechnen ist.

Abstract (eng)

In microelectronics, miniaturized Cu-Al ball bonds serve as link between integrated circuits and outside circuitry. During service, these bonds are subjected to mechanical, thermal and electrical stresses. Moreover, such devices are exposed to elevated service temperatures leading to the formation of brittle intermetallic compounds (IMCs) at the interface between Cu and Al layers. Currently, the quality of such bonds is assessed by standardized, static ball shear tests, which do not reveal the bond performance under cyclic loading conditions. As it was the aim of the present thesis to study the mechanical fatigue behavior of Cu-Al joints in microelectronic devices produced by solid state bonding techniques, a novel fatigue test technique was created to adapt to this miniaturized bond geometry. This allowed not only to obtain reliable fatigue life curves but also to study the inuence of different microstructural states of the bond interface. Detailed fracture surface analyses showed the characteristic fracture morphologies to depend on the microstructural evolution of the IMC layers, too. While the standardized static shear tests revealed no significant decrease of the bond shear force with increased formation of the intermetallic phases, the fatigue tests proved a clear degradation in the cyclic strength. In order to separate the influences of the loading condition and of the IMCs to the resulting fatigue behavior, a complementary study was conducted on bulk, model diffusion pairs. Here a special setup was designed which allowed to apply different well-defined mode I and mode II loading conditions. In both the microscopic as well as the macroscopic studies the fatigue crack always initiates in the Al layer, as has been also observed with in-situ TEM investigations. When interfacial IMCs are present, the crack is deflected into the most brittle one, leading to early failure and lower fatigue lives. Furthermore, it has been shown that particularly under pronounced shear loading, an early failure of the microelectronic devices has to be expected.

Keywords (eng)

mechanical fatigueAl-Cu bondsintermetallic phases

Keywords (deu)

mechanische ErmüdungAl-Cu Bond Verbindungenintermetallische Phasen

Subject (deu)

Mechanische Eigenschaften, akustische Eigenschaften, thermische Eigenschaften

Subject (deu)

Experimentalphysik

Type (deu)

Dissertation

Persistent identifier

https://phaidra.univie.ac.at/o:1319691