Copper Wire Bonding 2013

hi_china59 · 发表于 2013-9-24 11:13:52

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本帖最后由 hi_china59 于 2013-9-25 18:34 编辑

Copper Wire Bonding by Preeti S Chauhan, Anupam Choubey, ZhaoWei Zhong and Michael G Pecht
2013
ISBN: 1461457602

This critical volume provides an in-depth presentation of copper wire bonding technologies, processes and equipment, along with the economic benefits and risks. Due to the increasing cost of materials used to make electronic components, the electronics industry has been rapidly moving from high cost gold to significantly lower cost copper as a wire bonding material.

However, copper wire bonding has several process and reliability concerns due to its material properties. Copper Wire Bonding book lays out the challenges involved in replacing gold with copper as a wire bond material, and includes the bonding process changes—bond force, electric flame off, current and ultrasonic energy optimization, and bonding tools and equipment changes for first and second bond formation. In addition, the bond–pad metallurgies and the use of bare and palladium-coated copper wires on aluminum are presented, and gold, nickel and palladium surface finishes are discussed. The book also discusses best practices and recommendations on the bond process, bond–pad metallurgies, and appropriate reliability tests for copper wire-bonded electronic components.

In summary, this book:
• Introduces copper wire bonding technologies
• Presents copper wire bonding processes
• Discusses copper wire bonding metallurgies
• Covers recent advancements in copper wire bonding including the bonding process, equipment changes, bond–pad materials and surface finishes
• Covers the reliability tests and concerns
• Covers the current implementation of copper wire bonding in the electronics industry
• Features 120 figures and tables
Copper Wire Bonding is an essential reference for industry professionals seeking detailed information on all facets of copper wire bonding technology.

Contents
1 Copper Wire Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.1 Wire Bonding Technologies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1
1.2 Ball Bonding vs. Wedge Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2
1.3 From Gold to Cu Wire Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3
1.4 Market Adoption . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8
1.5 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2 Bonding Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.1 Bond Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11
2.2 Oxidation Prevention Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.3 Free Air Ball Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15
2.4 First (Ball) and Second (Wedge) Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17
2.5 Wire Bond Process Parameters . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.1 Ultrasonic Energy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18
2.5.2 Electric Flame-Off Current and Firing Time . . . . . . . . . . . . . 21
2.5.3 Bond Force . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25
2.5.4 Bonding Temperature and Time . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26
2.6 Bonding Process Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27
2.7 Bonding Equipment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30
2.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37

3 Bonding Metallurgies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.1 Bare Copper (Cu) and Palladium-Coated Cu Wire . . . . . . . . . . . . . . . 39
3.2 Bare Cu Wire on Al Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40
3.3 Bare Cu Wire on Au- and Ni-Based Die Bond Pads . . . . . . . . . . . . . 44
3.4 Cu–Cu Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45
3.5 Bond–Pad Interfacial Metallurgies . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.1 Au–Al and Cu–Al Intermetallics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46
3.5.2 Cu–Au and Cu–Al Intermetallics . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54
3.5.3 Au–AuNi, Au–AuPdNi, Cu–AuNi, and Cu–AlPdNi . . . . . . . 55
3.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

4 Wire Bond Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.1 Criteria for Good Bond Formation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57
4.2 Pre-bonding Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3 Post-bonding Inspection . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58
4.3.1 Nondestructive Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.3.2 Destructive Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59
4.4 Mechanical Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.1 Shear Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61
4.4.2 Pull Test . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63
4.5 Failure Mechanism and Modes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66
4.6 Quality Assurance and Testing Methods . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67
4.7 Wire Bond Reliability Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70
4.8 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

5 Thermal Reliability Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1 High-Temperature Storage Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 73
5.1.1 Au Wire on Al Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74
5.1.2 Bare Cu on Al, Au, and NiPdAu Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 76
5.1.3 Bare Cu vs. Palladium-Coated Copper Wires . . . . . . . . . . . . 81
5.1.4 IMC Growth Model and Acceleration Factor . . . . . . . . . . . . . 85
5.2 Thermal Shock and Thermal Cycling Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87
5.2.1 Bare Cu and PdCu Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89
5.2.2 Failure Model and Acceleration Factor
for Thermal Cycling Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90
5.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

6 Humidity and Electromigration Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93
6.1 Humidity-Related Reliability Tests (PCT and HAST) . . . . . . . . . . . . 93
6.1.1 Bare Cu Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94
6.1.2 PdCu Wire . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97
6.1.3 Failure Model and Acceleration Factor
for Humidity Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101
6.2 Electromigration Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102
6.2.1 Au–Al System . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 103
6.2.2 Failure Model and Acceleration Factor
for Electromigration Tests . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108
6.3 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 108

7 Wire Bond Pads . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.1 Bond Pad Materials . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111
7.1.1 Al . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112
7.1.2 Cu . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.2 Over Pad Metallization/Pad Finishes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115
7.3 Pad Finish/Metallization Thickness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118
7.4 Factors Affecting Pad Bondability . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
7.4.1 Pad Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 120
7.4.2 Lead Frame Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123
7.4.3 Pad Surface Roughness . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 124
7.5 Bond Pad Surface Treatments . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.5.1 Organic Coatings on Pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 125
7.5.2 Plasma Treatment . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126
7.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 131

8 Concerns and Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.1 Cu Hardness: Al Splash and Pad Cratering . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133
8.2 Process-Related Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 134
8.2.1 Oxidation Prevention Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.2.2 Capillary Mean Time Between
Assist and Lifetime . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 135
8.2.3 Wire Bonding for Specialized Applications . . . . . . . . . . . . . . 136
8.3 Corrosion from Mold Compound and Decapsulating
Chemicals . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 136
8.4 Other Concerns . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 137
8.4.1 Second Bond and Tail Bond . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.4.2 Yield and Requalification . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 138
8.4.3 Lack of Standardized Test Methods
and Reliability Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.4.4 Lack of Widespread Cu Wire Bonding Capability . . . . . . . . 139
8.5 Solutions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.5.1 Bonding Process Optimization . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
8.5.2 Oxidation Prevention Technology . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 141
8.5.3 Pad Cratering, Al Splash, and Surface
Contamination . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 142
8.5.4 Mold Compound and Deprocessing Scheme . . . . . . . . . . . . . 145
8.5.5 Yield Improvement . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 147
8.6 Summary . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 148

9 Recommendations . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.1 Copper Wire Bonding Process . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 151
9.2 Palladium-Coated Copper Wires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 153
9.3 Bonding Pad . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 154
9.4 Bond–Pad Interface . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 155
9.5 Strength and Reliability Evaluation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 156

Appendix A: Reliability Data . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Appendix B: Patents on Copper Wire Bonding . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 167
References . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 211
Index . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 227

feyme · 发表于 2013-9-24 12:47:33

好书订一记，thanks for sharing!

apteye · 发表于 2013-9-24 23:55:10

xiaxia，

cy1893766 · 发表于 2013-9-25 00:26:04

这是什么？

waveguides · 发表于 2013-9-25 02:22:42

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boaizhu · 发表于 2013-9-25 09:30:36

好东西，谢谢~~~

richyrichy · 发表于 2013-9-25 10:44:44

铜线取代金线，是IC封装的趋势。

xuleiwx · 发表于 2013-9-25 13:17:41

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semico_ljj · 发表于 2013-9-25 14:39:59

趋势未来

jamesccp · 发表于 2013-9-25 16:47:27

未来黄金价格可以下跌了

[资料] Copper Wire Bonding 2013

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