The Materials Science of Ballbonding


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The Materials Science of Ballbonding

  1. 1. The Materials Science of Ballbonding AB i fO Brief Overview i 1Christopher Breach & 2Frank Wulff Christopher Breach &  Frank Wulff 10th EPTC 2008 Dec 9‐12th, Grand Copthorne Watefront Hotel, Singapore 1 Vice President, Wire Bond Strategic Business Unit, Oerlikon Esec Assembly Equipment Pte Ltd, 1 Science Park Road, Singapore Science Park 2, #03‐10 Capricorn Building, Singapore 117528 2Materials Characterization Consultant Finnentrop Wilhelm Busch Straβe 2 Germany Consultant, Finnentrop, Wilhelm‐Busch‐Straβe 2,
  2. 2. Agenda Ballbond Formation Intermetallic Coverage Wedge Bond Formation Intermetallic Growth Intermetallic Growth Summary
  3. 3. Ball – wedge bonding is a materials joining  process Ballbonds and wedge bonds are solid state welds between bonding wires   and metallization on microelectronic chips and substrates respectively Wirebonds provide electrical conduction from chip to substrate  Cu ballbond on Al – 1%Si – Cu wedge bond on Au plated 0.5% Cu Al bondpad Cu lead Cu wire Au plated Cu lead Wedge bond on BGA Substrate Ballbond at Chip Page 3 with Au leads
  4. 4. These are illustrations of the ball –wedge  bonding process Wire clamps closed Ultrasonic vibrations  FAB formation Wire clamps open scrub ball against  Impact of ball  FAB descends towards  bondpad with bondpad bondpad Vertical force deforms ball The process begins with ball  The process begins with ball formation and then bond formation Capillary moves upwards  Loop formation complete and start to form and shape  Formation of 2nd bond the loop  Formation of the loop is next Tail bond formation Tail bond termination FAB formation And finally the wedge bond  is formed Page 4
  5. 5. The physics and chemistry of the  ballbonding process are not well known Elevated temperature enhances the process but welds can be  made at very low temperature dt l t t suggests thermal and athermal contributions The microscopic mechanism is not really understood There are several macroscopic or phenomenological theories  There are several macroscopic or phenomenological theories of how it occurs There are some microscopic theories
  6. 6. Theories of thermosonic bonding /1 Macroscopic Theories Focus on the phenomenon and use engineering mechanics to analyse and  model the process d l th May ignore certain features of the process Ignore the microscopic mechanism Plastic deformation is considered essential Microscopic Theories Microscopic Theories Try to include the fundamental physical and chemical aspects of the  process Understand the mechanism of phase formation U d t d th hi fh f ti Consider defect generation (vacancies , dislocations) due to plastic  deformation
  7. 7. Theories of thermosonic bonding /2 Macroscopic Theories Interfacial temperature rise due to friction p enhanced diffusion possible melting Plastic deformation without slip at the interface Microslip without consideration of dislocations , shearing,  adhesion dh i Friction power Interfacial friction leads to phase formation, sliding stops as phase  forms
  8. 8. Theories of thermosonic bonding /3 Microscopic Theories Interfacial plastic deformation without slip at the interface p p defect generation, point defects, dislocations, enhanced diffusion try to explain ultrasonic and/or thermosonic welding Interface plastic deformation due to sliding generates mixing via dislocations tries to explain new phase formation during cryomilling, sliding  friction,  fretting Alternative Athermal and thermal contributions? Defect generation and mixing at low T? Defect generation and mixing at low T? Thermal (diffusive) contribution as T increases?
  9. 9. Experimental characterization /1 Temperature rise at the ball – substrate interface From Tsujino et al F T ji tl Temperature measurements Show 80‐100°C temperature rise at  short times*, † short times Show very high temperature rise at  much longer times‡ much longer times Suggests that at a bonding  temperature of 170°C, diffusion is  p , important * K. C. Joshi. Welding Journal 50 (1971) 840. †A. Schneuwly, P. Gröning, L. Schlapbach, G. Müller. J. Electronic Materials. 27 (1998) 1254. ‡J. Tsujino, H. Yoshihara, K. Kamimoto, Y. Osada. Ultrasonics 36 (1998) 59.
  10. 10. Experimental characterization /2 Friction at the interface – no explicit consideration of  temperature rise From Mayer et al Sliding Friction Decreases as new phase forms Stops when new phase anchors ballbond Does not consider phase formation process Further ultrasonics after ball is anchored  only deforms wire neck
  11. 11. The Role of Ultrasonics / 1 Ultrasonics soften metals significantly Higher ultrasonics with same bond force Critical Strain Amplitude results in flatter balls – ultrasonic softening Metals may deform under ultrasonic  radiation if the ultrasonic amplitude  radiation if the ultrasonic amplitude exceeds the critical stress amplitude Deformation is due to resonance and  movement of dislocations Dislocations resonate in the kHz to MHz  range
  12. 12. The Role of Ultrasonics / 2 Excessive ultrasonics under same bonding force penetrates  the Al bondpad and enhances plastic flow Cu ballbond on Al‐Si‐Cu metallization
  13. 13. An Alternative View / 1 The ballbonding stage consists of : Impact with some sticking due to plastic deformation at asperities Sliding friction that generates plastic deformation between ball and pad  Sliding friction that generates plastic deformation between ball and pad with point and line defect generation Ultrasonics enhances plastic deformation and dislocation movement /  / generation Overall diffusivity is enhanced and more so at higher temperatures
  14. 14. An Alternative View / 2 Plastic deformation due to shearing at  the interface leads to intermixing This kind of mixing has been simulated It is possible Mechanical Alloying uses this principle to  produce new alloys of noramlly  immisicible metals immisicible metals Ordered alloys can be formed F. Delogu, G. Cocco.  Phys. Rev. B. 71 (2005) 144108. P. Bellon, R. S. Averback.  Phys. Rev. Lett 74 (1995) 1819.   A. C. Lund, C. A. Schuh.  Phys. Rev. Lett. 19 (2003) 235505‐1.
  15. 15. An Alternative View / 3 Defect creation and plastic deformation due  to ultrasonics enhances diffusion
  16. 16. An Alternative View / 4 Low Temperature (even sub‐ambient) Bonding Plastic deformation by interfacial shear/mixing  dominant, athermal Defect generation by ultrasonics Moderate Temperature Same mechanism Thermal component and enhanced diffusivity due to  Thermal component and enhanced diffusivity due to defect generation High Temperature High Temperature Thermal component dominates
  17. 17. Capillary geometry influences metal  flow and hardening  The capillary causes metal flow degree Work hardening occurs and depends  on capillary geometry and material  properties
  18. 18. Work hardening of the ball The capillary causes metal flow with a degree of work hardening that  depends on capillary geometry and material properties Au bonded balls 140 Au FABs Cu bonded balls 130 Cu FABs Polynomial Fit 120 0.01/5 110 100 Hardness Hv0 90 80 10µ m H 70 Position 60 - 0 + 50 -30 -20 -10 0 10 20 30 Indenter Position from bonded ball center [µm] F. Wulff, C. D. Breach, Saraswati and D. Stephan. EPTC 2004 (Electronics Packaging and Technology Conference), Pan Pacific Hotel, Dec 8‐10, Singapore.
  19. 19. Agenda Ballbond Formation Intermetallic Coverage Wedge Bond Formation Intermetallic Growth
  20. 20. Intermetallics  formed between Al and  Au or Al and Cu result in a weld The processes described in the previous section leads to the  formation of a new phase formation of a new phase The new phase joins the wire to the bondpad Intermetallic coverage is a term used to describe the amount of  new phase formed during bonding It strictly refers to phases of specific chemistry with narrow / no  solubility range Intermetallics are typically strong and brittle Not all wires form intermetallics – Au on Pd or Ni metal forms a  Not all wires form intermetallics Au on Pd or Ni metal forms a random alloy Page 20
  21. 21. Intermetallic coverage is easily seen with  Au but not with Cu
  22. 22. Agenda Ballbond Formation Intermetallic Coverage Wedge Bond Formation Intermetallic Growth Intermetallic Growth Summary Page 22
  23. 23. This is an example of a poor  wedge bond Page 23 Capillary drawing courtesy of Jimmy Castaneda & Mary Ong of SPT Singapore
  24. 24. The wire properties results from the wire  drawing process The wire drawing process for Cu and  Au wires is essentially the same There are intermediate heat  treatments to soften the wire There is a final annealing treatment  to control the final properties of the  wire Page 24 Drawing from Aristo Tec http://www.aristo‐
  25. 25. Annealing changes the grain size and  orientation Au Wire ‐ Annealed Au Wire ‐ Drawn Page 25 From F. Wulff, C. D. Breach, K. Dittmer, J. Mater. Sci. Lett., 22(19) 1373 (2003).
  26. 26. Different Au wire types show strong  <111> texture Type B Au Wire Type A Au Wire Double‐fibre texture <111>  dark <100>  bright <100> bright Page 26 From F. Wulff, C. D. Breach, K. Dittmer, J. Mater. Sci. Lett., 22(19) 1373 (2003).
  27. 27. Gold and copper wires are made  up of many grains There are significant differences in  Cu and Au wire grain size Au wires show strong <111> texture  along the wire axis Grain size is very fine, 0.1‐1µm Cu wires show strong <100>  Cu wires show strong <100> alignment along the wire axis Grain size is >1µm Grain size is >1µm Images from Saraswati; Ei Phyu Phyu Theint; D. Stephan, H. M. Goh, E. Pasamanero, D. Calpito, F. Wulff, C. D. Breach. Proceedings of 7th Electronic Packaging Technology Conference, 2005, Page 27 2, 7-9 Dec. 2005.
  28. 28. Wedge bond shape and consistency is  affected by the way the grains deform Metals usually consist of grains Each grain is a single crystal The deformation behaviour of  The deformation behaviour of polycrystalline metals depends on the  deformation of the individual grains Polycrystalline deformation is not  simply an average of single crystal  deformation Schmid Factor (single crystal) and Taylor  Factor (polycrystal) Factor (polycrystal) Page 28 Drawing from P. Haasen. Physical Metallurgy. Cambridge University Press (1996).
  29. 29. Orientation of Au wire in  transverse direction can vary There is <111> orientation along the  wire axis Perpendicular to the wire axis, the  orientation of individual grains can  vary Page 29 Capillary drawing courtesy of Jimmy Castaneda & Mary Ong of SPT Singapore
  30. 30. Orientation of Cu wire in  transverse direction can vary There is <100> orientation along the  wire axis Perpendicular to the wire axis, the  orientation of individual grains can  vary Page 30
  31. 31. Wire location also presents a different  grain orientation relative to capillary
  32. 32. Presented another way Tool vibrations B A
  33. 33. Orientation of single grains affects  the mechanical response The orientation of a single crystal  affects the load required to cause  deformation Schmid Factor τR = cos φ cos λ σ Cu and Au are FCC metals They deform by slip along {111}  planes in [110] directions Page 33
  34. 34. Identical single grains of metal: different  strength with orientation Graph of flow stress versus  Graph of flow stress versus single crystal orientation for  copper showing how the flow  stress depends on slip plane  t d d li l orientation Page 34 Drawing from P. Haasen. Physical Metallurgy. Cambridge University Press (1996).
  35. 35. Cu wire wedge bonds can vary in dimensions  compared with Au wedge bonds The variations can be due to grain size  and orientation In Cu wires a smaller number of larger  grains carry the plastic deformation Variations in transverse orientation of  the grains can affect the amount of slip In addition, there is the wire direction  relative to the capillary bond force Ultrasonic are also superimposed on  the bond force  Page 35 Drawing from P. Haasen. Physical Metallurgy. Cambridge University Press (1996).
  36. 36. Consider an example of just one wire  direction with Au Distribution of orientations in  the transverse direction The average deformation is the  summation over a large  number of small grains Page 36
  37. 37. Consider an example of just one wire  direction with Cu Distribution of orientations in  the transverse direction The average deformation is the  summation over a small  number of large grains number of large grains The orientation of the large  grains may have more influence  on the amount of plastic  deformation Therefore more influence on  final dimension Page 37
  38. 38. Premature termination of the 2nd bond is known as ‘tailing’ Au and Cu respond differently From Calpito DRM, Alcala D, Tirtonady A.  Tail lift off solutions for fine  Image/drawing courtesy of Jimmy Castaneda & Mary Ong of SPT  Page 38 pitch applications.  Semicon Singapore 2004.  Singapore
  39. 39. Tailing may also be due to the  deformation behaviour of wire As in compressive deformation  Au and Cu respond differently  Au and Cu respond differently in tensile deformation Page 39
  40. 40. Tailing of Cu vs Au Variations due to deformation response  during wedge bond – affects tail bond area From J. Beleran, F. Wulff and C. D. Breach. Proceedings of EPTC 2004 (Electronics Packaging and Technology Conference) pp701-705, Pan Pacific Hotel, Dec 8-10, Singapore 2004
  41. 41. Agenda Ballbond Formation Intermetallic Coverage Wedge Bond Formation Intermetallic Growth Summary
  42. 42. Intermetallic growth in ballbonds is  rarely considered in detail Ballbonds are diffusion couples  semi‐infinite due to the large amount of Au and finite  amount of Al Common assumptions are that  Every void is a Kirkendall void Every void is a Kirkendall void Al diffuses faster than Au Page 42
  43. 43. When a random alloy forms there is a large  concentration gradient Diffusion of either species can occur by  vacancies i Vacancies not tied to a particular species Diffusion driven by concentration gradient more strictly, a chemical  potential gradient potential gradient Page 43
  44. 44. When an intermediate compound forms  there is a small concentration gradient Chemical compounds AXBY Some solubility of A in B or vice versa Overall chemistry must be maintained O ll h i t tb iti d Elements form individual lattices with  their own vacancies their own vacancies Diffusion of ‘wrong’ atom on ‘wrong’  lattice can occur with limitations lattice can occur with limitations Page 44
  45. 45. When an line compound forms there is a  effectively no concentration gradient Chemical compounds AXBY Limited/no solubility of A in B or vice  versa Overall chemistry must be maintained Elements form individual lattices with  Elements form individual lattices with their own vacancies ⎡ ∂ ln γ i ⎤ ⎡ ∂ ln ai ⎤ Di = Di* ⎢1 + = Di* ⎢ = Di* Φ ⎥ ⎥ Diffusion of  wrong atom on wrong Diffusion of ‘wrong’ atom on ‘wrong’  ∂ ln Ni ⎦ ∂ ln Ni ⎦ ⎣ ⎣ lattice difficult without disrupting local  chemistry ⎡ ∂ ln aA ⎤ D = (NAD + NBD ) ⎢ * * ⎥ ∂ ln NA ⎦ B A Driving force for diffusion is activity  ⎣ gradient Page 45
  46. 46. Five compounds are occur normally in  Au – Aland Cu ‐ Al diffusion couples Cu  Cu ‐ Al Au  Au ‐ Al Page 46
  47. 47. Effective heat of formation is an  indicator of which phases may form Gold Aluminides Copper Aluminides Effective Heat of Effective Heat of Formation Compound Compound Formation (kJ/g at) (kJ/g at) Au4Al ‐18.5 Cu9Al4 ‐3.20 Au8Al3 ‐20 Cu3Al2 ‐4.25 Au2Al ‐19.8 Cu4Al3 ‐4.77 AuAl ‐16.3 CuAl ‐5.44 AuAl2 ‐10.2 CuAl2 ‐6.13
  48. 48. General features of intermetallic growth / 1 The first product layer forms and  p y becomes a diffusion barrier Further growth of the compound occurs  at two interfaces Different elements diffuse to each  interface to form the same compound i f f h d With line compounds elements cannot  diffuse freely – diffusion occurs on the  diffuse freely diffusion occurs on the lattice of each element Page 48
  49. 49. General features of intermetallic growth / 2 The number of diffusing atoms  per unit time arriving at each  per unit time arriving at each interface decreases with  thickness The amount of each substance  formed per unit time slows down The absolute number of atoms  The absolute number of atoms arriving per unit time depends on  the lattice connectivity Page 49
  50. 50. General features of intermetallic growth / 3 The ‘ordered Cu3Au rule’ (d’Heurle) says that the element that  diffuses faster is the majority element in the compound The majority element has greater connectivity (nearest  neighbours) In Au8Al3 Gold is the majority element Lattice diffusion of Au should be faster than Al in gold rich  compounds The exception can be grain boundary diffusion – grain boundary  structure of intermetallics is more complex than metals p F.M. d’Heurle, P. Gas, J. Philbert. Solid State Phenomena 41 (1995) 93. Page 50
  51. 51. General features of intermetallic growth / 4 The growth rates are very different Graphs obtained using data in H.J. Kim, J. Y. Lee, K. W. Paik, , K. W. Koh, J. Won, S. Choe, J. Lee, J. T. Moon and Y. J. Park. Page 51 Effects of Cu/Al Intermetallic Compound (IMC) on Copper Wire and Aluminum Pad Bondability. IEEE Trans. 26(2) (2003) 267.
  52. 52. General features of intermetallic growth / 5 Could Cu – Al intermetallics grow  more slowly because of the complex  Cu9Al4 (Westman) structure and connectivity Relative to Au – Al compounds that is p Page 52 S. Westman. Acta Chemica Scandinavica 19 (1965) 1411.
  53. 53. Comparing Cu – Al with Au – Al compounds / 1 Not only is Cu cheaper, Cu  ‐ Al compounds have lower resistivity Page 53
  54. 54. Comparing Cu – Al with Au – Al compounds / 2 Charge carriers in Cu – Al intermetallics are mainly holes Hall Co‐efficient (x 10‐11 m3 A‐1 s‐1) Common  Phase Charge Carrier notation Cu with minor Al ≈‐5 Electrons Cu9Al4 γ2 ≈0 – 10 Holes generally positive and varies with  composition Cu3Al2 δ ≈10 Holes Cu4Al3 ξ2 ≈7 Holes CuAl η2 ≈5 Holes CuAl2 θ ≈‐1 Electrons (nearly free) Al with minor Cu ≈‐2 Electrons
  55. 55. Are all voids Kirkendall voids? 96 hrs @ 175°C These are well aged ballbonds Au  ballbonds on Al The Al bondpad is consumed The voids cannot be Kirkendall voids 200 hrs @ 175°C Page 55
  56. 56. Voids can also be caused by stress Stress gradients can change the thermodynamic driving force for diffusion Thermodynamic factor Stresses can alter atomic mobilities S l i bili i Diffusion tends to occur from regions of compressive to regions of  tensile stress Stresses can be due to different specific volumes of growing phases Au4 Al(2) () Au4 Al(1) Au8 Al3 Gold ball AuAl2 Si Chip Si Chi Page 56 Voids due to shear Shear stresses
  57. 57. Agenda Ballbond Formation Intermetallic Coverage Wedge Bond Formation Intermetallic Growth Summary
  58. 58. In Summary…………… Some largely  unproven ideas regarding wirebond materials  science have been presented science have been presented The microscopic mechanism of welding of the ball and wire to bondpad or  leads is considered to be governed by plastic deformation processes leads is considered to be governed by plastic deformation processes Wire properties are suggested to have an influence on wedge bond  consistency and short tail behaviour, texture influences the behaviour y Intermetallic growth is viewed differently, more in line  with solid state  materials physics and chemistry Al does not necessarily diffuse faster than Au in gold ballbonds Structure of Cu – Al compounds may account for the slow  intermetallic growth it t lli th