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Fatigue investigations of miniaturized and bulk Al-Cu bond interfaces
Alice Marie Lassnig
Art der Arbeit
Dissertation
Universität
Universität Wien
Fakultät
Fakultät für Physik
Studiumsbezeichnung bzw. Universitätlehrgang (ULG)
Dr.-Studium der Naturwissenschaften (Dissertationsgebiet: Physik)
Betreuer*innen
Michael Zehetbauer ,
Golta Khatibi
URN
urn:nbn:at:at-ubw:1-30071.64710.823866-1
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(Print-Exemplar eventuell in Bibliothek verfügbar)
Abstracts
Abstract
(Deutsch)
In der Mikroelektronik dienen miniaturisierte Cu-Al Ball-Bond-Verbindungen zur
Kontaktierung integrierter Schaltkreise. Diese werden im Betrieb nicht nur mechanischen,
thermischen sowie elektrischen Spannungen, sondern auch erhöhten Temperaturen
ausgesetzt, welche zur Bildung spröder intermetallischer Phasen an der
Grenzfläche zwischen Cu und Al Schichten führen. Zurzeit wird die Qualität
dieser Bond-Verbindungen mittels standardisierter statischer Ball-Scher-Tests erfasst,
welche aber keine Rückschlüsse auf die zyklische Belastbarkeit dieser Bond-
Verbindungen zulassen.
Indem es das Ziel der vorliegenden Dissertation war, das mechanische Ermüdungsverhalten
von Cu-Al Bondverbindungen in mikroelektronischen Bauteilen zu
untersuchen, wurde eine neue Ermüdungsmethode zum Test derartiger Verbindungen
entwickelt. Dadurch war es möglich, nicht nur verlässliche Ermüdungskurven
zu gewinnen, sondern auch den Einfluss unterschiedlicher Mikrozustände der Bond-
Verbindung zu studieren. Detaillierte Analysen der Ermüdungsbruchflächen zeigten
charakteristische Bruchflächen-Morphologien, die ebenfalls von der mikrostrukturellen
Entwicklung der intermetallischen Schichten abhängen. Während die standardisierten
statischen Schertests keine signifikante Abnahme der Scherkraft mit
fortschreitender Ausbildung der intermetallischen Phasen zeigten, bewiesen die Ermüdungsversuche eine eindeutige Abnahme der zyklischen Festigkeit.
Um die Einflüsse des Belastungsmodus und der intermetallischen Phasenbildung
auf die Ermüdungsfestigkeit zu separieren, wurden ergänzende Untersuchungen
an makroskopischen Modelldiffusionsproben durchgeführt. Hierbei wurde ein
spezieller Aufbau gewählt, der es erlaubte, wohldefinierte verschiedene Kombinationen
der Belastungsmoden I und II zu realisieren.
Es konnte u.a. auch mittels in-situ TEM-Untersuchungen gezeigt werden, dass
die Rissinitiierung in der Al-Schicht erfolgt, gleichgültig ob es sich dabei um die
mikroskopischen oder die makroskopischen Proben handelt. Liegen intermetallische
Phasen in der Materialverbindung vor, wird der Riss in diese Phase abgelenkt, was
zu früherem Bruch bzw. Verminderung der Lebensdauer führt. Außerdem wurde
gezeigt, dass insbesondere bei ausgeprägter Scherbelastung mit einem verfrühten
Ausfall der Bauteile zu rechnen ist.
Abstract
(Englisch)
In microelectronics, miniaturized Cu-Al ball bonds serve as link between integrated
circuits and outside circuitry. During service, these bonds are subjected to mechanical,
thermal and electrical stresses. Moreover, such devices are exposed to elevated
service temperatures leading to the formation of brittle intermetallic compounds
(IMCs) at the interface between Cu and Al layers. Currently, the quality of such
bonds is assessed by standardized, static ball shear tests, which do not reveal the
bond performance under cyclic loading conditions.
As it was the aim of the present thesis to study the mechanical fatigue behavior
of Cu-Al joints in microelectronic devices produced by solid state bonding techniques,
a novel fatigue test technique was created to adapt to this miniaturized
bond geometry. This allowed not only to obtain reliable fatigue life curves but
also to study the inuence of different microstructural states of the bond interface.
Detailed fracture surface analyses showed the characteristic fracture morphologies
to depend on the microstructural evolution of the IMC layers, too. While the standardized
static shear tests revealed no significant decrease of the bond shear force with increased formation of the intermetallic phases, the fatigue tests proved a clear
degradation in the cyclic strength.
In order to separate the influences of the loading condition and of the IMCs to the resulting fatigue behavior, a complementary study was conducted on bulk, model
diffusion pairs. Here a special setup was designed which allowed to apply different
well-defined mode I and mode II loading conditions.
In both the microscopic as well as the macroscopic studies the fatigue crack
always initiates in the Al layer, as has been also observed with in-situ TEM investigations.
When interfacial IMCs are present, the crack is deflected into the most
brittle one, leading to early failure and lower fatigue lives. Furthermore, it has
been shown that particularly under pronounced shear loading, an early failure of
the microelectronic devices has to be expected.
Schlagwörter
Schlagwörter
(Englisch)
mechanical fatigue Al-Cu bonds intermetallic phases
Schlagwörter
(Deutsch)
mechanische Ermüdung Al-Cu Bond Verbindungen intermetallische Phasen
Autor*innen
Alice Marie Lassnig
Haupttitel (Englisch)
Fatigue investigations of miniaturized and bulk Al-Cu bond interfaces
Paralleltitel (Deutsch)
Untersuchungen des Ermüdungsverhaltens miniaturisierter und massiver Al-Cu Bondverbindungen
Publikationsjahr
2015
Umfangsangabe
X, 151 S. : Ill., graph. Darst.
Sprache
Englisch
Beurteiler*innen
Heinz-Werner Höppel ,
Martina Zimmermann
Klassifikationen
33 Physik > 33.05 Experimentalphysik ,
33 Physik > 33.62 Mechanische Eigenschaften, akustische Eigenschaften, thermische Eigenschaften
AC Nummer
AC12615708
Utheses ID
34090
Studienkennzahl
UA | 791 | 411 | |