Studio del danneggiamento in giunti Cu-wire soggetti a cicli di invecchiamento

In microelectronic packaging, wire bonding is the predominant method for making electrical connections between chips and lead frames. Gold wire is the most popular interconnection material used in the wire bonding process. However, gold is increasingly substituted by copper since copper is not only a much cheaper alternative but it also offers several physical advantages: copper has better mechanical, electrical and thermal properties. The standard test for evaluating the reliability and resistance of wire-bonding connections in integrated circuits are the Wire Bond Pull and Ball Shear tests. Bond failure can occur in a variety of ways: depending on the failure mode of the bond, it can be said if it is robust or not. The most dangerous failure mechanism is the so-called cratering: silicon substrate under the wire solder breaks before wire. This is a not acceptable condition, because it highlights an intrinsic dangerous dielectric weakness: it leads to a catastrophic failure during chip life. 56 devises (1120 wire-bonds) have been tested to highlight cratering characteristics and causes in order to identify the problem and propose a solution. High temperature storage has been used to simulate bond-aging under accelerated and controlled conditions, while thermal cycles are used to simulate the on/off cycles. Experimental evidences, mechanical section of the bonds, FEM simulation results and analytical results are discussed to present the causes and sustain the solutions proposed for the problem.

Nei dispositivi di microelettronica, le connessioni elettriche tra chip e lead frame sono comunemente ottenute tramite fili. L’oro è il materiale storicamente più utilizzato per tali collegamenti. Negli ultimi anni, il rame sta sostituendo l’oro in quanto, non solo è molto più economico, ma offre anche diversi vantaggi a livello fisico: il rame ha migliori proprietà meccaniche, elettriche e termiche. Le giunzioni sono ottenute tramite saldatura termo-sonica. L’affidabilità e la resistenza delle connessioni sono classicamente valutate tramite il test di trazione del filo e il test a taglio dell’interfaccia della giunzione. Il cedimento del collegamento può manifestarsi in diversi modi: in base al meccanismo di fallimento, si può affermare se la giunzione è robusta o no. Il meccanismo di fallimento più pericoloso è il cosiddetto cratering: il substrato di silicio sottostante la saldatura cede prima del filo. Questa modalità di fallimento non è accettabile, poiché evidenzia una pericolosa debolezza intrinseca del dielettrico: tale debolezza porta a cedimenti catastrofici durante la vita del microchip. Nel presente lavoro, sono stati testati 56 dispositivi (ovvero 1120 fili di collegamento) al fine di caratterizzare ed individuare le cause del cratering in modo tale da identificare il problema e proporre una soluzione. È stato utilizzato l’invecchiamento termico, per simulare il decadimento della giunzione sotto condizioni accelerate e controllate, mentre la ciclatura termica è stata usata per simulare i cicli di accensione spegnimento. Sono riportati risultati sperimentali, sezioni meccaniche delle giunzioni, simulazioni FEM e risultati analitici ottenuti al fine di presentare le cause e le soluzioni proposte al problema.