Analysis and characterization of copper wire bonding failures induced by temperature cycling

Microelectronic devices have reached, over the last few decades, a widespread diffusion in many application fields. From the industrial controls to the small household appliance, from the automotive to the domotics, microelectronics is present in almost every object of our everyday life. The drive force of this evolution was the strong push towards the miniaturization and the development of embedded electronic systems, without the needs of external peripherals. The increasing request of performances and miniaturization has consequently caused an increment of technical problems related to the reliability of the product. A high computational capability in a smaller space means problems of heat generation and dissipation that cause higher stresses on the electronic device. In the automotive world, where the devices are subjected to a severe service life (mostly because of the high temperatures under the wood of a car), stresses are amplified and so the reliability and the quality became key aspects for the product success. Because joint interconnections are the weaknesses of microelectronic packaging, their reliability has great influence on the reliability of the entire packaging structure. Joints are obtained with the “wire bonding”, in this case through the thermo-sonic technique. The material used to make the interconnections is copper. In the last decade an inversion of tendency was recorded in the microelectronic industry. Copper is gradually substituting gold as primary material in the wire bonding process. In the past, thanks to its good electric and thermal characteristics, but moreover because of its high inactivity, that is its absence of oxidation, gold has played the role of unique material for wires (with a marginal percentage of products wire bonded with aluminum). The companies run toward this transition is not only due to an economical reason, but also for technical ones. Copper has a higher electrical and thermal conductivity respect to gold. It is also harder, that means a higher mechanical resistance but a lower malleability. This change was a big step for microelectronic companies, a challenge in terms of know-how in the implementation of the copper in the wire bonding production process and the consequences in terms of reliability issues and quality of the final product. In fact, copper easily oxidizes in a non-controlled environment, and this causes the degradation of the bond and of the performances of the device. Moreover, copper is harder and less workable than gold. This requires different settings of the wire bonding machine in order to minimize the risks of substrate damages during the bonding process. The reliability and the resistance of the bonds is evaluated by standard tests: the “wire bond pull” and the “ball shear”. Among the failure mechanisms, the “weld neck break” is one of the most dangerous because it indicates an intrinsic weakness of the bonding and imposes corrective actions on the bonding parameters or on the bonding machine. It is not acceptable at time zero and it is ruled during the stress tests. In this work 30 devices were tested in order to analyze and characterize the weld failures during the wire bond pull test. Two versions of the same product are presented, one differing from the other because a different capillary was used during the wire bonding phase. Wires are copper made and bonded on a silver spot over a copper pad. Devices were submitted to temperature cycling tests to simulate the on/off cycles in accelerated conditions. After every cycling step, a predetermined number of devices, chosen with precise rules after the SAM analysis, were subjected to the wire pull test. Data obtained from the tests are reported and correlated with the images of the mechanical sections of the stitch bonds, to present the causes and the solutions of the failures.

I dispositivi microelettronici hanno conosciuto, negli ultimi decenni, una larga diffusione in molti campi di applicazione. Dai controlli industriali ai piccoli elettrodomestici, dalla domotica all’automotive, la microelettronica è presente in quasi tutti gli oggetti della nostra vita quotidiana. Il tutto è stato trainato dalla forte spinta verso la miniaturizzazione e lo sviluppo di sistemi elettronici “embedded”, ovvero integrati nell’oggetto stesso da controllare e monitorare, senza la presenza di periferiche esterne. L’incremento della richiesta combinata di prestazioni e miniaturizzazione ha causato una conseguente crescita di problemi tecnici legati all’affidabilità del prodotto. Una grande capacità di calcolo in uno spazio sempre più ridotto si traduce in maggiori problemi di gestione del calore e della sua dissipazione, e quindi in livelli di stress più alti per i dispositivi. In campi come l’automotive, dove le condizioni di lavoro dei dispositivi elettronici sono estreme (soprattutto a causa delle alevate temperature), gli stress si amplificano e quindi l’affidabilità e la qualità diventano punti cruciali e obiettivi imprescinbili per la riuscita di un prodotto. In quest’ottica, le connessioni elettriche tra chip e lead (e a seguire PCB) rappresentano l’aspetto più debole dei dispositivi elettronici destinati ad ambienti di lavoro ad alto stress. Le giunzioni vengono ottenute mediante una tecnica che prende il nome di “wire bonding”, con saldatura termosonica. Il materiale impiegato per le connessione testate è il rame. Nell’ultimo decennio si è verificata un’inversione di tendenza per quanto riguarda le materie prime utilizzate nel processo di wire bonding. In passato l’oro ricopriva il ruolo di attore unico nella realizzazione delle interconnessioni (con una percentuale marginale di prodotti realizzati con collegamenti in alluminio), mentre negli ultimi anni il rame ha ottenuto una fetta di mercato sempre maggiore, andando a sostituire l’oro come materiale più utilizzato. Oltre all’evidente motivo economico, questa transizione è stata spinta anche da ragioni tecniche. Il rame, rispetto all’oro, ha migliori qualità elettriche e termiche, oltre a una più elevata resistenza meccanica. Tuttavia questo cambiamento ha segnato anche un’importante sfida per le aziende, un cosiddetto “salto nel buio”, dovuto alla totale assenza di know-how sull’implementazione del rame nel processo produttivo del wire bonding e alle ricadute dal punto di vista della qualità e dell’affidabilità del prodotto. Il rame è, infatti, prono al processo di ossidazione in ambienti non controllati, che può causare una degradazione critica del processo di saldatura e, conseguentemente, della vita e delle prestazioni del dispositivo. Inoltre, rispetto all’oro, ha una durezza e una malleabilità più elevate, che quindi richiedono una diversa attenzione e una diversa configurazione dei parametri di wire bonding, in modo da non causare danni agli strati sottostanti del dispositivo nelle fasi di saldatura. I test di trazione del filo e di taglio dell’interfaccia di giunzione valutano la resistenza e l’affidabilità della connessione ottenuta, classificando i cedimenti. La modalità di fallimento è indice della robustezza di una giunzione. Nel caso dello “stitch” (la zona di giunzione tra filo e lead), il fallimento più pericoloso è quello della rottura del collo della giunzione (weld neck break). Questo tipo di cedimento è giudicato non accettabile a tempo zero e viene regolamentato in caso di occorrenze durante gli step di stress test, poichè indica una debolezza intrinseca della giunzione secondaria (second bonding) e quindi impone interventi correttivi sui parametri o sulla strumentazione di bonding. Nel presente lavoro sono stati testati 30 dispositivi per l’analisi e la caratterizzazione dei fallimenti a livello di giunzione secondaria, in modo da identificare i problemi e proporre delle soluzioni. Sono state testate due versioni dello stesso prodotto, che differiscono in termini di capillare utilizzato durante il processo di wire bonding. I collegamenti sono stati realizzati in rame e saldati su un pad in rame rivestito con uno spot d’argento. I dispositivi analizzati sono stati sottoposti a ciclatura termica per simulare i cicli di accensione/spegnimento in condizioni accelerate. Successivamente ad ogni step di ciclatura termica, un numero predefinito di componenti è stato selezionato secondo criteri definiti in fase di studio, per essere sottoposto a test di trazione del filo. I risultati di questi test sono stati riportati e correlati con le immagini delle sezioni meccaniche delle giunzioni al fine di presentare le cause e le soluzioni proposte al problema.