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Entwicklung mikroelektronischer Kontaktierungsmethoden für Hochtemperatur-Anwendungen über 250 °C

Heiermann, Wolfgang

Das Hauptziel der vorliegenden Dissertation war die Entwicklung von Methoden zur Herstellung mikroelektronischer Kontakte mit Temperaturstabilitäten über 250 °C unter Verwendung von Flip-Chip-Technologie und Drahtbond-Technologie. In der Drahtbond-Technologie bieten Palladiumdrähte gegenüber standardmäßig verwendeten Golddrähten Vorteile hinsichtlich mechanischer Stabilität und 50 % geringerer Materialkosten. Die vorliegende Arbeit präsentiert eine Studie über das Schweißverhalten von Palladiumdrähten unter Verwendung von Thermosonic-Verfahren auf galvanisch abgeschiedenen Gold-Metallisierungen. Es wurden Zuverlässigkeitsuntersuchungen an Palladiumdraht-Kontakten bis zu Temperaturen von 350 °C durchgeführt. Die mechanische Stabilität wurde durch Schertests und Zugfestigkeitstests geprüft. Zur Untersuchung des Mikrogefüges wurden Drahtbond-Querschnitte mittels Rasterelektronenmikroskopie (REM) analysiert. Ergänzend zur Drahtbond-Technologie wurde eine Methode zur Herstellung hochtemperaturbeständiger Flip-Chip-Kontaktierungen entwickelt. Durch eine Verlötung mit Lötrahmen entlang der Chip-Außenkanten wurde analog zu kommerziellen Flip-Chip-Packages eine Krümmung über das gesamte Flip-Chip-Package generiert. Durch diese Deformation, welche üblicherweise durch die Verwendung von Underfills erzeugt wird, werden thermomechanische Spannungen in den Bumps reduziert. Da die präsentierte Flip-Chip-Methode im Unterschied zu kommerziellen Flip-Chip-Verfahren keine Applikation von Underfill beinhaltet, deren Temperaturbeständigkeit bei maximal 170 °C liegt, können Einsatztemperaturen von mindestens 250 °C realisiert werden. Durch sukzessives elektrochemisches Abscheiden unterschiedlicher Metall-Schichten wurden Bumps und Lötrahmen bestehend aus einem Kupfer/Nickel/Gold/Zinn-Schichtsystem hergestellt. Diese Strukturen wurden durch einen Gold/Zinn-SLID Prozess (Solid-Liquid Interdiffusion) auf Keramiksubstrate verlötet. Mit Hilfe von FEM-Simulationen (Finite Elemente Methode) wurde die Auswirkung der Lötrahmen auf thermomechanische Spannungen in Flip-Chip-Bumps berechnet. Die Krümmung der Flip-Chip-Packages, welche als Validierungsparameter für das FEM-Modell dienten, wurde mit Hilfe optischer Interferometrie bestimmt. Zur experimentellen Untersuchung der Lötverbindungen wurden Querschnittanalysen mittels Raster-Elektronen-Mikroskopie (REM) durchgeführt. Die Zuverlässigkeit der Flip-Chip-Packages wurde durch Widerstandmessungen an Daisy-Chain-Teststrukturen nach Temperaturlagerungen bei 250 °C und Temperaturwechselzyklen zwischen -50 °C bis 175 °C geprüft.

The main purpose of the presented doctoral thesis was the development of micro-contacts with a temperature resistance over 250 °C by using flip-chip technology and wire bonding technology. In wire bonding technology palladium wire, in comparison to gold wire, has the advantages of higher mechanical stability and about 50 % lower material costs. This thesis presents a detailed investigation about the process performance of thermosonic palladium wire bonding on electroplated gold metallizations. The reliabilities of the fabricated wire bonds were tested at temperatures up to 350 °C. The mechanic bond stability was determined by wire pull tests and bond shear tests. The microscopic texture of the interfaces between the wire bonds and the bond pads were determined by cross sectional scanning electron microscopy (SEM). Additional to the wire bonding technology also flip-chip technology was used for the fabrication of high temperature resistant interconnects to silicon-dies. Therefore the outer edges of the silicon-dies were contacted by a seal ring, whereby a warpage of the packages was generated similar to commercial flip-chip packages. This deformation, in general generated by the application of underfills, which have a temperature stability of maximum 170 °C, reduces thermomechanical stress in flip-chip bumps. In comparison to commercial flip-chip technology the presented flip-chip method works without the usage of underfills. Thus the fabricated packages can be operated at temperatures up to 250 °C. By the successive electrochemical plating of different metal layers bumps and seal rings consisting of a copper/nickel/gold/tin metal-stack were fabricated. These structures were connected by a high temperature resistant gold/tin-SLID solder process (Solid-Liquid Interdiffusion) to ceramic substrates. The influence of the seal rings to the thermomechanical stress in flip-chip bumps was calculated by FEM-simulations (finite elements method). The warpages of the flip-chip packages were measured by optical interferometry. These data were used for experimental validation of the FEM-model. The solder interface of the flip-chip bumps was determined by sectional scanning electron microscopy (SEM). Reliability tests were performed by permanent temperature load up to 250 °C und thermal cycles between -50 °C and 175 °C. After these loads the functionality of the bump connections was tested by measuring the electric resistance of daisy chain test structures.

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Heiermann, Wolfgang: Entwicklung mikroelektronischer Kontaktierungsmethoden für Hochtemperatur-Anwendungen über 250 °C. 2014.

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