[논문]Au wire와 Al pad사이의 IMC(Intermetallic Compound) 형성에 의한 수명예측

손정민; 장미순; 곽계달

Au wire와 Al pad사이의 IMC(Intermetallic Compound) 형성에 의한 수명예측
Lifetime Estimation due to IMC(Intermetallic Compound) formation between Au wire and Al pad 원문보기

손정민 (한양대학교 전자전기컴퓨터 공학부) , 장미순 (한양대학교 신뢰성분석연구센터(RARC)) , 곽계달 (한양대학교 전자통신컴퓨터공학부)

During the manufacturing and the service life of Au-Al wire bonded electronic packages, the ball bonds experience elevated temperatures and hence accelerated thermal diffusion reactions that promote the transformation of the Au-Al phases and the IMC growth. In this paper, the IC under high temperature storage (HTS) tests at $175^{\circ}C,\;200^{\circ}C$, and $250^{\circ}C$ are meticulously investigated. Thermal exposure resulted in the IMC growth, Kirkendall void and the crack of the Au-Al phases. The crack propagation occurs resulting in the failure of the Au-Al ball bonds. As the IC was exposed at the high temperature, decreased in the lifetime.

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문제 정의

본 연구에서는 IC에서의 wire & pad 사이의 IMC성장에 따른 고장 메커니즘을 재현할 수 있도록 온도를 가속인자로 정하여 가속수명시험을 실시하였다.
본 연구에서는 현재 많은 IC package 제조업체들이 채택하는 wire bonding에 의해 만들어진 IC의 Au wire와 Al pad 간에 형성되는 IMC를 고온가속시험을 통해 IC의 고장모드를 알아내고 수명을 예측 하고자 한다.

제안 방법

IMC는 thermal stress받아 thermal diffusion(열확산)되어 형성이 되기 때문에 IMC 성장을 가속시키기 위해 고온저장시험(High Temperature Storage, HTS)시험을 실시하였다.
GND핀은 서로 chip안에서 short되어있고 회로 내의 컨덕터 같은 소자를 거치지 않기 때문에 비교적 정확한 wire-pad간의 저항을 측정 할 수 있다. 그리고 open이 된 시료를 광학 현미경 (Optical Microscope, OM)과 주사 전자 현미경(Scanning Electron Microscope, SEM)으로 Au wire-Al pad간의 ball bond부위를 관찰하였고, EDX(Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)로 IMC의 성분을 분석하였다.
그리고 시료의 고장 판단 기준은 wire-pad간의 저항 값이 1kΩ 이상 될 때 chip의 신호전달에 영향을 주어 오동작을 일으키므로 고장기준을 저항 값이 1kΩ 이상 일 때로 정하였다.
시험은 고온저장시험(HTS)으로 고온의 환경에 IC를 노출시켜 IMC성장을 가속화시키는 것으로 하였다. 175℃, 200℃, 250℃의 온도의 챔버에 각각 10개의 시료를 넣어 고온의 환경을 유지하였다.
저항 측정방식은 시험 중 7일(168h)을 주기로 멀티 테스터로 저항을 측정 하되 각각 시료의 GND핀 사이의 저항을 측정하였다. GND핀은 서로 chip안에서 short되어있고 회로 내의 컨덕터 같은 소자를 거치지 않기 때문에 비교적 정확한 wire-pad간의 저항을 측정 할 수 있다.

대상 데이터

여러 전자제품의 IC중 N사의 부품을 시료로 선정하였다. 이 시료는 비디오 AFE(Analog Front End)로 쓰이는 128pins IC로서 Table 2처럼 99% 이상의 순도를 가진Au으로 된 wire와 Al으로 된 pad를 사용하고 있다.
여러 전자제품의 IC중 N사의 부품을 시료로 선정하였다. 이 시료는 비디오 AFE(Analog Front End)로 쓰이는 128pins IC로서 Table 2처럼 99% 이상의 순도를 가진Au으로 된 wire와 Al으로 된 pad를 사용하고 있다. 또한 IMC 성장을 억제시키는 Palladium(Pd)가 함유되어있지 않아서 시험에 적합할 것으로 보인다.

이론/모형

가속 모형은 IC의 수명과 가속변수인 온도에 따른 가속수명 추정 모델로 온도 스트레스에 관한 수명시험에서 가장 널리 사용되는 아레니우스 모델을 사용하였다.
위의 고장 메커니즘을 FTA(Fault Tree Analysis)를 이용하여 Fig. 3로 나타내었다. 그림에서 IMC는 wire와 pad의 Au-Al 두 금속이 thermal stress에 영향을 받아 두 금속의 원자에너지가 활성화되어 원자가 thermal diffusion(열확산)을 하게 되면서 IMC가 형성이 되어 저항율이 커지게 되고 IMC성장 과정에서 void/crack와 corrosion/oxidation 반응이 생기면서 저항율이 더욱더 커지면서 open을 일으키게 된다.

성능/효과

10에 나타내었는데, 온도가 증가할수록 B₁₀ 수명이 감소하는 것을 알 수 있다. 가속수명시험 결과 일반적인 IC사용 환경인 상온 (25℃)에서 수명은 약 3,320일(79,684시간)로 추정할 수 있었고, 10℃가 높은 35℃에서의 수명은 2,338일(56,117시간)로 982일(23,567시간)이나 줄어 든 것을 알 수 있다. 그러므로 IMC 고장을 예방하기 위해서는 25℃이하에서 IC사용을 권장한다.
또한 crack이 확산하여 wire-pad사이가 거의 분리 되어 있음을 알 수 있었다. 그리고 ball bond에 형성된 IMC를 EDX로 구성요소를 분석한 결과 Fig. 6에서처럼 IMC가 Au와 Al으로 이루어져 있음을 알 수 있었다.
시험 결과 IMC는 높은 온도에 노출될 때 더욱 성장이 빨라지며 IMC의 특성과 oxidation, void에 의해 저항이 늘어나고, 결국 crack확산으로 인해 wire-pad사이가 open 되었다. 또한 측정 데이터와 통용되는 기준수명시간을 바탕으로 IC의 수명예측결과 B₁₀ 수명이 일반적인 상온(25℃)에서 약3320일(79,684시간)로 예측 되었고, 10℃가 높은 35℃에서의 수명은 2,338일(56,117시간)로 982일(23,567시간)이나 줄어 든 것을 알 수 있다. 그러므로 IMC 고장을 예방하기 위해서는 25℃이하에서 IC사용을 권장한다.
7에 나타내었다. 수명분포 추정선이 각 시험조건별로 서로 평행하게 나타난 것을 볼 수 있으며, 이로부터 와이블 분포가 적합하고 시험조건 사이에 가속성이 성립한다는 것을 알 수 있다.
본 연구에서는 IC에서의 wire & pad 사이의 IMC성장에 따른 고장 메커니즘을 재현할 수 있도록 온도를 가속인자로 정하여 가속수명시험을 실시하였다. 시험 결과 IMC는 높은 온도에 노출될 때 더욱 성장이 빨라지며 IMC의 특성과 oxidation, void에 의해 저항이 늘어나고, 결국 crack확산으로 인해 wire-pad사이가 open 되었다. 또한 측정 데이터와 통용되는 기준수명시간을 바탕으로 IC의 수명예측결과 B₁₀ 수명이 일반적인 상온(25℃)에서 약3320일(79,684시간)로 예측 되었고, 10℃가 높은 35℃에서의 수명은 2,338일(56,117시간)로 982일(23,567시간)이나 줄어 든 것을 알 수 있다.
가속수명시험을 통하여 수집된 데이터에 적합한 수명분포를 가정하기 위하여 와이블, 지수, 대수정규분포의 우도함수(likelihood function)값을 비교하여 Table 3에 나타내었다. 표에서 3개 수명분포의 우도함수 값이 가장 큰 와이블 분포가 가장 적합한 수명 분포로 나타났다.

후속연구

이 시료는 비디오 AFE(Analog Front End)로 쓰이는 128pins IC로서 Table 2처럼 99% 이상의 순도를 가진Au으로 된 wire와 Al으로 된 pad를 사용하고 있다. 또한 IMC 성장을 억제시키는 Palladium(Pd)가 함유되어있지 않아서 시험에 적합할 것으로 보인다. 그리고 시료의 고장 판단 기준은 wire-pad간의 저항 값이 1kΩ 이상 될 때 chip의 신호전달에 영향을 주어 오동작을 일으키므로 고장기준을 저항 값이 1kΩ 이상 일 때로 정하였다.

핵심어

질문

논문에서 추출한 답변

Chip의 interconnection 패키지 공정에는 어떤 기술이 있는가?

Chip의 interconnection 패키지 공정은 주로 3가지 기술로서 Wire Bonding(WB), Tape Automated Bonding(TAB) 그리고 Flip Chip(FC)기술이 있다. 이 기술들 중 wire bonding 이 90%이상 사용되어진다.

Chip의 interconnection 패키지 공정 중 가장 많이 사용되는 기술은?

Chip의 interconnection 패키지 공정은 주로 3가지 기술로서 Wire Bonding(WB), Tape Automated Bonding(TAB) 그리고 Flip Chip(FC)기술이 있다. 이 기술들 중 wire bonding 이 90%이상 사용되어진다. Wire bonding은 chip과 lead frame을 wire로 연결하는 공정으로 ball-wedge bonding과 wedge-wedge bonding두 종류로 분류되는데 각각 Thermosonic bonding(T/S), Ultrasonic Bonding(U/S)방법이 사용된다.

Wire bonding의 특징은?

이 기술들 중 wire bonding 이 90%이상 사용되어진다. Wire bonding은 chip과 lead frame을 wire로 연결하는 공정으로 ball-wedge bonding과 wedge-wedge bonding두 종류로 분류되는데 각각 Thermosonic bonding(T/S), Ultrasonic Bonding(U/S)방법이 사용된다. 통계적으로 wire bonding에 의해 연결된 wire-pad사이의 고장은 전체 패키지 신뢰성의 25%를 차지 할 만큼 영향이 크다.

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