알루미늄 패드 위의 4N (99.99 %) 골드와이어 본딩은 마이크로 전자 패키징에서 일반적으로 사용되는 방식이다. 와이어 본딩 공정이 진행되면서, 골드 볼 본드와 알루미늄 패드 계면에서 골드-알루미늄 금속간화합물이 생성되어 볼 패드 접합에 기계적인 강도를 제공한다. 고온 에이징 동안, 골드-알류미늄 금속간화합물은 지속적으로 성장하여 $Au4Al$와 $Au8Al3$의 두 가지 상으로 분리된다. 에이징이 진행되면서 이 두 금속간화합물 사이에 커켄달 ...
알루미늄 패드 위의 4N (99.99 %) 골드와이어 본딩은 마이크로 전자 패키징에서 일반적으로 사용되는 방식이다. 와이어 본딩 공정이 진행되면서, 골드 볼 본드와 알루미늄 패드 계면에서 골드-알루미늄 금속간화합물이 생성되어 볼 패드 접합에 기계적인 강도를 제공한다. 고온 에이징 동안, 골드-알류미늄 금속간화합물은 지속적으로 성장하여 $Au4Al$와 $Au8Al3$의 두 가지 상으로 분리된다. 에이징이 진행되면서 이 두 금속간화합물 사이에 커켄달 보이드가 생성되어 응집된다. 일반적으로 골드 볼 본드의 파괴는 이러한 커켄달 보이드의 성장으로 인한 크랙의 형성 때문에 발생한다. 그러나 미세 직경 (20 um 이하) 와이어의 경우, 175 ℃ 공기 중에서 고온에이징을 진행하는 동안에 골드 볼 본드의 산화 현상으로 인한 비정상적인 파괴 현상이 발생하기도 한다. 금속간화합물의 산화로 인한 파괴 형태를 조사하기 위해 4N 와이어를 175 ℃에서 1500 시간 동안 에이징을 하고, 와이어 풀 테스트를 수행하였다. 와이어 풀 테스트 결과는 볼 리프트 파괴가 주로 $Au4Al$ 위에서 발생하였음을 보여준다. 또한 볼 본드의 단면은 $Au4Al$ 상의 산화로 인해 바깥 부분의 접합이 떨어진 후, 에이징 시간이 진행됨에 따라 이 산화된 지역이 안쪽으로 전파되는 것을 보여준다. 175 ℃의 진공 상태에서 1500 시간 동안 에이징한 와이어의 경우, $Au4Al$ 상은 전혀 산화되지 않았고, 이러한 사실은 $Au4Al$이 대기 중의 산소로 인해 산화되었음을 시사한다. 산화된 $Au4Al$의 두 가지 상을 규명하기 위해 TEM 분석이 수행되었다. EDS맵핑은 분산상이 골드이고 기지상이 알루미늄 산화물임을 보여준다. 골드 석출물의 회절 패턴은 이 상이 FCC 단결정 구조를 가진 순수한 금임을 알려준다. 또한 알루미늄 산화물의 고 해상도 사진은 이 상이 다결정질임을 보여준다. 알루미늄 산화물의 EELS 피크는 참고문헌의 $Al2O3$와 일치한다. 정리하면, $Au4Al$은 대기 중에서 열 산화되어 금 석출물과 알루미늄 산화물로 분해된다. 팔라듐 첨가 효과에 대한 추가 연구를 위해, 여러 가지 Pd 함량을 갖는 몰딩되지 않은 와이어가 175 ℃에서 1500 시간 동안 에이징된 후, 와이어 풀 테스트가 수행되었다. 와이어 풀 테스트 결과는 0.25 wt. % 팔라듐이 첨가된 와이어가 가장 좋은 신뢰성을 갖는다는 것을 보여준다. STEM 사진은 0.25 wt. % 팔라듐은 $Au4Al$의 결정립계에 응집되어 있고, 0.95 wt. % 팔라듐은 $Au4Al$과 $Au8Al3$의 계면에 팔라듐이 풍부한 새로운 결정립을 만드는 것을 보여준다. 0.25 wt. % 팔라듐 첨가는 결정립계의 팔라듐 축적이 대기로부터의 산소 유입을 막는 효과를 갖는다. 그러나 0.95 wt. % 팔라듐 첨가의 경우, 팔라듐이 풍부한 새로운 결정립은 산화 현상에 아무런 영향을 미치지 못하고, 이 상을 제외한 $Au4Al$은 산화된다. 따라서 0.25 wt. % 팔라듐의 첨가가 골드/알루미늄 계면의 접합 신뢰성을 향상시킨다. 본 연구를 통해, $Au4Al$의 산화기구가 명확하게 증명되었다. 대기로부터의 산소 유입에 따른 $Au4Al$의 산화로 인한 초기 에이징 시의 파괴 현상이 확인되었다. 또한 팔라듐 첨가가 접합 신뢰성에 미치는 영향도 분석되었다. 적은 양의 팔라듐 첨가는 $Au4Al$의 결정립계에 응집되어 산소 유입을 막음으로 접합 신뢰성의 향상시킨다.
알루미늄 패드 위의 4N (99.99 %) 골드 와이어 본딩은 마이크로 전자 패키징에서 일반적으로 사용되는 방식이다. 와이어 본딩 공정이 진행되면서, 골드 볼 본드와 알루미늄 패드 계면에서 골드-알루미늄 금속간화합물이 생성되어 볼 패드 접합에 기계적인 강도를 제공한다. 고온 에이징 동안, 골드-알류미늄 금속간화합물은 지속적으로 성장하여 $Au4Al$와 $Au8Al3$의 두 가지 상으로 분리된다. 에이징이 진행되면서 이 두 금속간화합물 사이에 커켄달 보이드가 생성되어 응집된다. 일반적으로 골드 볼 본드의 파괴는 이러한 커켄달 보이드의 성장으로 인한 크랙의 형성 때문에 발생한다. 그러나 미세 직경 (20 um 이하) 와이어의 경우, 175 ℃ 공기 중에서 고온에이징을 진행하는 동안에 골드 볼 본드의 산화 현상으로 인한 비정상적인 파괴 현상이 발생하기도 한다. 금속간화합물의 산화로 인한 파괴 형태를 조사하기 위해 4N 와이어를 175 ℃에서 1500 시간 동안 에이징을 하고, 와이어 풀 테스트를 수행하였다. 와이어 풀 테스트 결과는 볼 리프트 파괴가 주로 $Au4Al$ 위에서 발생하였음을 보여준다. 또한 볼 본드의 단면은 $Au4Al$ 상의 산화로 인해 바깥 부분의 접합이 떨어진 후, 에이징 시간이 진행됨에 따라 이 산화된 지역이 안쪽으로 전파되는 것을 보여준다. 175 ℃의 진공 상태에서 1500 시간 동안 에이징한 와이어의 경우, $Au4Al$ 상은 전혀 산화되지 않았고, 이러한 사실은 $Au4Al$이 대기 중의 산소로 인해 산화되었음을 시사한다. 산화된 $Au4Al$의 두 가지 상을 규명하기 위해 TEM 분석이 수행되었다. EDS 맵핑은 분산상이 골드이고 기지상이 알루미늄 산화물임을 보여준다. 골드 석출물의 회절 패턴은 이 상이 FCC 단결정 구조를 가진 순수한 금임을 알려준다. 또한 알루미늄 산화물의 고 해상도 사진은 이 상이 다결정질임을 보여준다. 알루미늄 산화물의 EELS 피크는 참고문헌의 $Al2O3$와 일치한다. 정리하면, $Au4Al$은 대기 중에서 열 산화되어 금 석출물과 알루미늄 산화물로 분해된다. 팔라듐 첨가 효과에 대한 추가 연구를 위해, 여러 가지 Pd 함량을 갖는 몰딩되지 않은 와이어가 175 ℃에서 1500 시간 동안 에이징된 후, 와이어 풀 테스트가 수행되었다. 와이어 풀 테스트 결과는 0.25 wt. % 팔라듐이 첨가된 와이어가 가장 좋은 신뢰성을 갖는다는 것을 보여준다. STEM 사진은 0.25 wt. % 팔라듐은 $Au4Al$의 결정립계에 응집되어 있고, 0.95 wt. % 팔라듐은 $Au4Al$과 $Au8Al3$의 계면에 팔라듐이 풍부한 새로운 결정립을 만드는 것을 보여준다. 0.25 wt. % 팔라듐 첨가는 결정립계의 팔라듐 축적이 대기로부터의 산소 유입을 막는 효과를 갖는다. 그러나 0.95 wt. % 팔라듐 첨가의 경우, 팔라듐이 풍부한 새로운 결정립은 산화 현상에 아무런 영향을 미치지 못하고, 이 상을 제외한 $Au4Al$은 산화된다. 따라서 0.25 wt. % 팔라듐의 첨가가 골드/알루미늄 계면의 접합 신뢰성을 향상시킨다. 본 연구를 통해, $Au4Al$의 산화기구가 명확하게 증명되었다. 대기로부터의 산소 유입에 따른 $Au4Al$의 산화로 인한 초기 에이징 시의 파괴 현상이 확인되었다. 또한 팔라듐 첨가가 접합 신뢰성에 미치는 영향도 분석되었다. 적은 양의 팔라듐 첨가는 $Au4Al$의 결정립계에 응집되어 산소 유입을 막음으로 접합 신뢰성의 향상시킨다.
4N (99.99 %) gold wire bonding on an aluminum pad is commonly used in microelectronic packaging. During wire bonding process, Au-Al IMCs (intermetallic compounds) are formed at the interface of gold ball bond and aluminum pads resulting in a mechanical bonding strength to the ball-pad joint. During ...
4N (99.99 %) gold wire bonding on an aluminum pad is commonly used in microelectronic packaging. During wire bonding process, Au-Al IMCs (intermetallic compounds) are formed at the interface of gold ball bond and aluminum pads resulting in a mechanical bonding strength to the ball-pad joint. During high temperature aging, Au-Al IMCs grow and start to be separated into two layer composed of $Au4Al$ and $Au8Al3$. And Kirkendall voids are accumulated at the interface between these IMCs during aging. Failures in gold ball bonds are generally occurred due to the crack formation by growth of these Kirkendall voids. However, occasionally unusual failure occurs by the oxidation phenomena of fine diameter (less than 20 um) gold ball bonds during HTST (high temperature storage test) at 175 ℃ in air. To investigate the failure mode by IMCs oxidation, un-molded 4N wires were aged at 175 ℃ for 1500 hours, and WPT (wire pull test) was performed. WPT results showed that ball lift failures mainly occurred above the $Au4Al$. Cross-section of ball bonds showed that outward region was de-bonded due to the oxidation of $Au4Al$ phase and these oxidized area propagated inward as aging times increased. In case of the wires aged at 175 ℃ during 1500 hours in vacuum, $Au4Al$ phase was not oxidized, which means that $Au4Al$ was degraded by the oxygen inflow from ambient. TEM analysis was performed to identify the two phases of oxidized $Au4Al$. EDS mapping showed that dispersed phase was identified as the gold and matrix phase was composed of aluminum oxide. Diffraction pattern of the gold precipitate clearly indicated the FCC (face centered cubic) single crystal structure of pure gold. High resolution images of Al phase showed that the aluminum oxide was polycrystalline. And EELS peak of Al oxide correspond with that of reference. As a summary, it was verified that $Au4Al$ was decomposed into an aluminum oxide and gold precipitates during thermal oxidation at ambient. For additional research on the effect of Pd addition, un-molded wires with different Pd content were aged at 175 ℃ for 1500 hours, and WPT (wire pull test) was performed. WPT results showed that 0.25 wt.% Pd added A wire had best reliability. STEM image showed that 0.25 wt.% Pd was accumulated at the grain boundary of $Au4Al$ and 0.95 wt.% Pd formed Pd-rich grain at the interface of $Au4Al$ and $Au8Al3$. 0.25 wt.% Pd addition showed that Pd accumulation at the grain boundary intercepted oxygen inflow from ambient air. But, 0.95 wt.% Pd addition showed that Pd-rich grain did not affect oxidation phenomena, and $Au4Al$ except Pd-rich grain was oxidized. As a result, 0.25 wt.% Pd addition increased bond reliability of Au/Al interface. Consequently, in this study, the formation mechanism of oxidized $Au4Al$ phase was clearly verified. And it was confirmed that failure in gold ball bonds at earlier aging times occurred due to $Au4Al$ oxidation by the oxygen inflow from ambient. And effect of Pd addition on bond reliability was also analyzed. A small amount of Pd addition showed reliability enhancement by accumulation at the grain boundary of $Au4Al$ and interception of oxygen inflow.
4N (99.99 %) gold wire bonding on an aluminum pad is commonly used in microelectronic packaging. During wire bonding process, Au-Al IMCs (intermetallic compounds) are formed at the interface of gold ball bond and aluminum pads resulting in a mechanical bonding strength to the ball-pad joint. During high temperature aging, Au-Al IMCs grow and start to be separated into two layer composed of $Au4Al$ and $Au8Al3$. And Kirkendall voids are accumulated at the interface between these IMCs during aging. Failures in gold ball bonds are generally occurred due to the crack formation by growth of these Kirkendall voids. However, occasionally unusual failure occurs by the oxidation phenomena of fine diameter (less than 20 um) gold ball bonds during HTST (high temperature storage test) at 175 ℃ in air. To investigate the failure mode by IMCs oxidation, un-molded 4N wires were aged at 175 ℃ for 1500 hours, and WPT (wire pull test) was performed. WPT results showed that ball lift failures mainly occurred above the $Au4Al$. Cross-section of ball bonds showed that outward region was de-bonded due to the oxidation of $Au4Al$ phase and these oxidized area propagated inward as aging times increased. In case of the wires aged at 175 ℃ during 1500 hours in vacuum, $Au4Al$ phase was not oxidized, which means that $Au4Al$ was degraded by the oxygen inflow from ambient. TEM analysis was performed to identify the two phases of oxidized $Au4Al$. EDS mapping showed that dispersed phase was identified as the gold and matrix phase was composed of aluminum oxide. Diffraction pattern of the gold precipitate clearly indicated the FCC (face centered cubic) single crystal structure of pure gold. High resolution images of Al phase showed that the aluminum oxide was polycrystalline. And EELS peak of Al oxide correspond with that of reference. As a summary, it was verified that $Au4Al$ was decomposed into an aluminum oxide and gold precipitates during thermal oxidation at ambient. For additional research on the effect of Pd addition, un-molded wires with different Pd content were aged at 175 ℃ for 1500 hours, and WPT (wire pull test) was performed. WPT results showed that 0.25 wt.% Pd added A wire had best reliability. STEM image showed that 0.25 wt.% Pd was accumulated at the grain boundary of $Au4Al$ and 0.95 wt.% Pd formed Pd-rich grain at the interface of $Au4Al$ and $Au8Al3$. 0.25 wt.% Pd addition showed that Pd accumulation at the grain boundary intercepted oxygen inflow from ambient air. But, 0.95 wt.% Pd addition showed that Pd-rich grain did not affect oxidation phenomena, and $Au4Al$ except Pd-rich grain was oxidized. As a result, 0.25 wt.% Pd addition increased bond reliability of Au/Al interface. Consequently, in this study, the formation mechanism of oxidized $Au4Al$ phase was clearly verified. And it was confirmed that failure in gold ball bonds at earlier aging times occurred due to $Au4Al$ oxidation by the oxygen inflow from ambient. And effect of Pd addition on bond reliability was also analyzed. A small amount of Pd addition showed reliability enhancement by accumulation at the grain boundary of $Au4Al$ and interception of oxygen inflow.
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