Au wire-bonding have been playing dominant role as interconnection in electronic packaging area due to its high reliability and convenience. However, as the dimensions of packages decrease and material cost of Au abruptly increases, use of ultra-fine pitch wires become inevitable. Ultra-fine pitch wires, less than 0.7 mil ($17.8 \um$) show lower reliability compared to fine pitch Au wires with diameter of 1.0 mil ($25.4 \mum$). In order to enhance poor reliability of ultra-fine pitch Au wire, studies on new Au wires and their interfacial reactions are needed. Therefore, interfacial reactions of ultra-fine pitch Au wires with diameter of 0.5 mil ($12 \mum$) were analyzed, and compared with fine pitch Au wires with diameter of 1.0 mil. Pd was added as alloying element on 0.5 mil Au wires to enhance interfacial reactions, and mechanisms of the reliability enhancement by Pd addition were investigated. Pd has been known to reduce Au/Al diffusion rate by forming diffusion barrier at the interface.
For the analysis and the comparison of the interfacial reactions, both 1.0 mil and 0.5 mil Au wires were bonded on Al pad, and subsequently aged under high temperature storage test (HTST) at $175 \degC$ up to 1000 hrs in air-ambient condition. 1.0 mil Au wires showed high inter-metallic coverage about 60% between bonded Au wires and Al pads, whereas 0.5 mil Au wires showed low inter-metallic coverage about 40%. Due to difference in inter-metallic coverage 1.0 mil Au wires formed regular inter-metallic compounds (IMCs) of $Au_8Al_3$ over entire bonded area; however, for 0.5 mil Au wires irregular IMCs of $Au_8Al_3$ grew only on small bonded areas due to lower inter-metallic coverage. At 200 hours of aging, for both of the samples Au4Al layer started to form above $Au_8Al_3$ IMCs. Abrupt increase in ball-lift during ball pull test (BPT) and oxidation of $Au_4Al$ layer were observed at 500 hours of aging for 0.5 mil Au wires, whereas 750 hours of aging made observable oxidation of $Au_4Al$ for 1.0 mil Au wires. Unlike 1.0 mil Au wire, 0.5 mil Au wire showed interfacial failures due to the irregular growth of IMC and the oxidation of $Au_4Al$.
In order to enhance interfacial failures of 0.5 mil Au wires, 3000 ppm, 6000 ppm, and 10000 ppm of Pd additions were made. Cross-sectional scanning electron microscopy (SEM) images showed that the height of irregular IMC reduced with increasing Pd contents. However, the oxidation rate of $Au_4Al$ was observed to be following order $10000 ppm (fastest) > 6000 ppm = 0 ppm > 3000 ppm$ (slowest) of Pd, and the ball-lift ratio showed the same sequence. Analysis on ball-lifted pad showed the same dependency of Pd on the oxidation. To explain this phenomenon, detailed mechanisms of Pd on the interfacial reactions rate were investigated using transmission electron microscope (TEM) and scanning transmission electron microscope (STEM). Au wires with 3000 ppm of Pd were chosen to be analyzed as the most oxide-stable interface, whereas Au wires with 10000 ppm of Pd were chosen to be analyzed as the most oxide-active interface. In the sample with 3000 ppm of Pd, segregations of small Pd growing was observed at $Au_4Al$ grain boundary. The segregation at the grain boundary was observed to protect $Au_4Al$ from the oxidation as well as the oxygen inflow. However, in the sample with 10000 ppm of Pd, large Pd-rich grains and oxidized layers were observed at the interface between Au4Al and $Au_8Al_3$, not at the grain boundary. In terms of Au & Al diffusion barrier and oxygen flow, the large Pd-rich grains at the interface seem not to be effective as the small Pd growing at $Au_4Al$ grain boundary.
As conclusion, interfacial failures of ultra-fine pitch Au wires and effects of Pd addition were investigated in this experiment. Unlike 1.0 mil Au wire, 0.5 mil Au wire showed irregular growth of IMC and faster oxidation rate. Interfacial failure by the irregular growth of IMC decreased with increasing Pd contents. However, interfacial failure by the oxidation was the smallest at 3000 ppm of Pd due to formation of small oxide-protective Pd growing at $Au_4Al$ grain boundaries and greatest at 10000 ppm of Pd due to thinned $Au_4Al$ and unprotected grain boundaries of $Au_4Al$.
금 본딩 와이어는 높은 신뢰성과 간편성에 있어서 전자 패키징 분야에서 주된 interconnection 방식이다. 하지만 요즘 패키지 사이즈의 감소에 따른 I/O 밀집도 증가 및 급격한 금값의 증가에 따라 ultra-fine Au wire의 사용할 수밖에 없는 상황이다. Ultra-fine wire 즉 0.7 mil. ($17.8 \microm$)의 직경을 가지는 와이어는 1.0 mil. ($25.4 \microm$)의 직경을 가지는 fine wire에 비해서 낮은 계면 신뢰성을 보인다. 이러한 ultra-fine wire의 취약한 신뢰성을 보안하기 위하여 계면 반응 및 파괴 모드에 대한 분석과 새로운 조성의 Au wire에 대한 연구가 필요하다. 그리하여 본 연구에서는 기존의 1.0 mil.의 직경을 가지는 fine wire에 비교하여 0.5 mil ($12 \microm$)의 직경을 가지는 ultra-fine Au wire의 계면 반응 및 파괴 모드가 분석이 되었으며, Pd을 계면 향상을 위한 합금 원소로 첨가하여 그것이 계면 반응에 미치는 효과 및 메커니즘에 대해서 규명하였다. Pd는 지금까지는 계면에서 diffusion barrier를 형성하여 Au/Al의 확산 속도를 늦추는 효과가 있다고 알려져 있다.
계면 반응의 비교 분석을 위하여 1.0 mil. 과 0.5 mil. Au wire가 알루미늄 패드에 본딩이 되었으며 $175 \degC$ 에서 high temperature storage test (HTST) 조건으로 대기와 진공 상태에서 에이징 되었다. 1.0 mil. Au wire는 Al pad 와의 본딩에서 60~70 % 대의 높은 inter-metallic (IM) coverage를 보였지만 0.5 mil. Au wire는 30~40 % 대의 낮은 IM coverage 값을 보였다. 이를 통해 1.0 mil Au wire는 전체적으로 모든 본딩 면적에서 균일한 inter-metallic compound (IMC) 의 성장을 보였지만, 0.5 mil Au wire는 낮은 IM coverage로 인하여 불균일하고 국부적인 면적에서의 IMC 성장을 보였다. 대기에서 에이징 시 1.0 mil. Au wire는 500시간부터 $Au_4Al$ IMC 층 형성 이후 750시간부터 bonding의 edge로부터 $Au_4Al$ IMC의 산화가 관측이 되어 1000시간에는 산화가 center쪽으로 전파되었다. 0.5 mil. Au wire 는 250시간 에이징시에 $Au_4Al$ 층의 형성이 되어 500 시간부터 edge로부터 산화가 관측이 되어, 750시간에는 모든 $Au_4Al$ 층이 산화되었다. 이와 동반하여 0.5 mil. Au wire 는 ball pull test (BPT) 시 750시간부터 급격한 볼 리프트의 증가를 보였으며 1.0 mil. Au wire는 1000 시간 이후 볼 리프트의 증가가 보였다. 진공에서 1000시간 동안 에이징 시 0.5 mil. Au wire는 $6 \microm$ 정도 즉 $5 \microm$ 정도의 1.0 mil. Au wire보다 높은 IMC의 성장을 보이는데 이것으로 인하여 1000시간까지 볼 리프트가 하나도 일어나지 않는 1.0 mil. Au wire보다 훨씬 심각한 16/31 볼 리프트를 보였다. 이러한 계면 파괴 현상이 가속화 되는 이유는 낮은 IM coverage로 인해 기인한다.
0.5 mil Au wire의 계면 반응을 향상시키기 위하여 3000, 6000, 10000 ppm의 Pd이 첨가 되었으며 마찬가지로 대기 및 진공 상태에서 에이징 되었다. 진공 에이징시 IMC의 성장은 Pd이 많이 첨가될수록 낮아지는 것으로 확인이 되었으며 BPT 신뢰성 결과도 비슷한 경향을 보였다. EPMA로 Pd의 분포를 조사한 결과 $Au_4Al$ 층에 에이징 시간이 길어질수록, Pd 양이 증가할수록 더 많은 Pd가 축적되는 것이 관측되었다. 이는 Pd이$Au_4Al$에 축적이 되면서 Au 원자의 확산 및 IMC 성장을 방해하는 것으로 여겨진다. 대기 에이징시 0, 6000, 10000 ppm의 경우 500시간 에이징부터 $Au_4Al$ 의 산화 거동을 보였지만 3000 ppm의 경우에는 1000시간 에이징부터 산화 현상이 관측되었다. BPT 신뢰성 또한 3000 ppm이 낮은 비율을 보였으며 failure site 또한 대부분 $Au_8Al_3$ 나 Au 층으로 관측되었다. 이러한 원인을 분석하기 위해 $Au_4Al$ 층의 미세 구조를 transmission electron microscopy (TEM)이나 scanning transmission electron microscopy (STEM)으로 관측한 결과 3000 ppm과 10000 ppm의 Pd가 첨가된 샘플이 차이점을 보였다. 10000 ppm의 경우에는 Pd이 자체적으로 Pd-rich한 grain을 형성하는 것이 관측이 되었으며 Pd-rich grain을 제외한 $Au_4Al$ 층이 빠르게 산화되는 것이 확인 되었다. 3000 ppm의 경우에는 Pd이 $Au_4Al$ 의 grain boundary에 축적이되는 현상이 관측되었으며 $Au_4Al$ 산화는 억제되는 형상이 또한 관측되었다. 그리하여 산화를 억제하는 데에는 적절한 양의 Pd가 첨가되어 grain boundary를 통한 산소의 유입을 억제하는 것이 중요한 것으로 사려된다.
이렇게 ultra-fine wire는 기존의 fine wire에 비교해서 낮은 IM coverge로 인하여 대기 및 진공 상태에서 낮은 신뢰성을 보이지만 Pd 첨가로 인하여 진공상태에서는 10000 ppm Pd에서, 대기 상태에서는 3000 ppm Pd에서 최고의 BPT 신뢰성을 보인다.
