Au 와이어와 Al 패드 계면에서의 산화 현상과 접합 신뢰성

Abstract

알루미늄 패드 위의 4N (99.99 %) 골드 와이어 본딩은 마이크로 전자 패키징에서 일반적으로 사용되는 방식이다. 와이어 본딩 공정이 진행되면서, 골드 볼 본드와 알루미늄 패드 계면에서 골드-알루미늄 금속간화합물이 생성되어 볼 패드 접합에 기계적인 강도를 제공한다. 고온 에이징 동안, 골드-알류미늄 금속간화합물은 지속적으로 성장하여 $Au_4Al$와 $Au_8Al_3$의 두 가지 상으로 분리된다. 에이징이 진행되면서 이 두 금속간화합물 사이에 커켄달 보이드가 생성되어 응집된다. 일반적으로 골드 볼 본드의 파괴는 이러한 커켄달 보이드의 성장으로 인한 크랙의 형성 때문에 발생한다. 그러나 미세 직경 (20 um 이하) 와이어의 경우, 175 ℃ 공기 중에서 고온에이징을 진행하는 동안에 골드 볼 본드의 산화 현상으로 인한 비정상적인 파괴 현상이 발생하기도 한다. 금속간화합물의 산화로 인한 파괴 형태를 조사하기 위해 4N 와이어를 175 ℃에서 1500 시간 동안 에이징을 하고, 와이어 풀 테스트를 수행하였다. 와이어 풀 테스트 결과는 볼 리프트 파괴가 주로 $Au_4Al$ 위에서 발생하였음을 보여준다. 또한 볼 본드의 단면은 $Au_4Al$ 상의 산화로 인해 바깥 부분의 접합이 떨어진 후, 에이징 시간이 진행됨에 따라 이 산화된 지역이 안쪽으로 전파되는 것을 보여준다. 175 ℃의 진공 상태에서 1500 시간 동안 에이징한 와이어의 경우, $Au_4Al$ 상은 전혀 산화되지 않았고, 이러한 사실은 $Au_4Al$이 대기 중의 산소로 인해 산화되었음을 시사한다. 산화된 $Au_4Al$의 두 가지 상을 규명하기 위해 TEM 분석이 수행되었다. EDS 맵핑은 분산상이 골드이고 기지상이 알루미늄 산화물임을 보여준다. 골드 석출물의 회절 패턴은 이 상이 FCC 단결정 구조를 가진 순수한 금임을 알려준다. 또한 알루미늄 산화물의 고 해상도 사진은 이 상이 다결정질임을 보여준다. 알루미늄 산화물의 EELS 피크는 참고문헌의 $Al_2O_3$와 일치한다. 정리하면, $Au_4Al$은 대기 중에서 열 산화되어 금 석출물과 알루미늄 산화물로 분해된다. 팔라듐 첨가 효과에 대한 추가 연구를 위해, 여러 가지 Pd 함량을 갖는 몰딩되지 않은 와이어가 175 ℃에서 1500 시간 동안 에이징된 후, 와이어 풀 테스트가 수행되었다. 와이어 풀 테스트 결과는 0.25 wt. % 팔라듐이 첨가된 와이어가 가장 좋은 신뢰성을 갖는다는 것을 보여준다. STEM 사진은 0.25 wt. % 팔라듐은 $Au_4Al$의 결정립계에 응집되어 있고, 0.95 wt. % 팔라듐은 $Au_4Al$과 $Au_8Al_3$의 계면에 팔라듐이 풍부한 새로운 결정립을 만드는 것을 보여준다. 0.25 wt. % 팔라듐 첨가는 결정립계의 팔라듐 축적이 대기로부터의 산소 유입을 막는 효과를 갖는다. 그러나 0.95 wt. % 팔라듐 첨가의 경우, 팔라듐이 풍부한 새로운 결정립은 산화 현상에 아무런 영향을 미치지 못하고, 이 상을 제외한 $Au_4Al$은 산화된다. 따라서 0.25 wt. % 팔라듐의 첨가가 골드/알루미늄 계면의 접합 신뢰성을 향상시킨다. 본 연구를 통해, $Au_4Al$의 산화기구가 명확하게 증명되었다. 대기로부터의 산소 유입에 따른 $Au_4Al$의 산화로 인한 초기 에이징 시의 파괴 현상이 확인되었다. 또한 팔라듐 첨가가 접합 신뢰성에 미치는 영향도 분석되었다. 적은 양의 팔라듐 첨가는 $Au_4Al$의 결정립계에 응집되어 산소 유입을 막음으로 접합 신뢰성의 향상시킨다.