Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.15
no.2
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pp.29-36
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2008
In this paper, mechanical reliability issues of copper through-wafer interconnections are investigated numerically and experimentally. A hermetic wafer level packaging for MEMS devices is developed. Au-Sn eutectic bonding technology is used to achieve hermetic sealing, and the vertical through-hole via filled with electroplated copper for the electrical connection is also used. The MEMS package has the size of $1mm{\times}1mm{\times}700{\mu}m$. The robustness of the package is confirmed by several reliability tests. Several factors which could induce via hole cracking failure are investigated such as thermal expansion mismatch, via etch profile, and copper diffusion phenomenon. Alternative electroplating process is suggested for preventing Cu diffusion and increasing the adhesion performance of the electroplating process. After implementing several improvements, reliability tests were performed, and via hole cracking as well as significant changes in the shear strength were not observed. Helium leak testing indicated that the leak rate of the package meets the requirements of MIL-STD-883F specification.
The mechanical properties and bonding mechanism of aluminum, copper and mild steel have been determined in cold pressure welding. The brittle cover layer to be established by scratch-brushing plays an important role in bond strength and has an influence on the threshold of deformation. The cold pressure welding was achieved at 54% of height reduction in A1-A1, 75% in Cu-Cu, 56% in Al-Cu, and 74% in Cu-steel. The height reduction at which the bond strength of weld interface was the same as the tensile strength of base metal should be over 76% in Al-Al, 82% in Cu-Cu, and 78% in Al-Cu.
Journal of the Institute of Electronics Engineers of Korea SD
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v.47
no.4
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pp.69-74
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2010
A new package substrate for dynamic random access memory(DRAM) devices has been developed using selective aluminum anodization. Unlike the conventional substrate structure commonly made by laminating epoxy-based core and copper clad, this substrate consists of bottom aluminum, middle anodic aluminum oxide and top copper. Anodization process on the aluminum substrate provides thick aluminum oxide used as a dielectric layer in the package substrate. Placing copper traces on the anodic aluminum oxide layer, the resulting two-layer metal structure is completed in the package substrate. Selective anodization process makes it possible to construct a fully filled via structure. Also, putting vias directly in the bonding pads and the ball pads in the substrate design, via in pad structure is applied in this work. These arrangement of via in pad and two-layer metal structure make routing easier and thus provide more design flexibility. In a substrate design, all signal lines are routed based on the transmission line scheme of finite-width coplanar waveguide or microstrip with a characteristic impedance of about $50{\Omega}$ for better signal transmission. The property and performance of anodic alumina based package substrate such as layer structure, design method, fabrication process and measurement characteristics are investigated in detail.
To observe the bonding behavior of palladium-based alloys to porcelain; 1. Pd-Co binary alloy with the higher cobalt content, 2. Pd-Co binary alloy with the lower cobalt content, 3. Pd-Ag-Sn ternary alloy, 4. Pd-Ag binary alloy, 5. Pd-Cu-Au ternary alloy and 6. Pd-Cu binary alloy were made as 6 groups of experimental alloys. Each group of alloy was divided into 4 sub-groups such as one sub-group that was not degassed and three sub-groups that degassed for 5 minutes, 10 minutes and 15 minutes. On each specimen, weight changes after degassing, morphological changes of oxide layer by changing the degassing time, compositional changes at metal-ceramic interface and bond strength of metal-ceramic measured with planar shear test were observed and compared. The results of the present study allow the following conclusions to be drawn: 1. The alloy showing the greatest bond strength was Pd-Cu alloy without gold and bond strength was decreased by alloying gold to them. 2. Although Pd-Co alloy showed the most prominent oxidation behavior, bond strength of them to porcelain was not greatly high by the formation of porosities at metal-ceramic interfaces. 3. Likewise tin, cobalt formed the peaks on line profiles at metal-ceramic interface, however copper did not exhibit such peaks on line profiles. 4. Mainly, oxide layer on Pd-Co alloy was composed with cobalt, and for Pd-Co alloy with higher cobalt content the rise of bond strength was not significant by increased degassing time. 5. On Pd-Ag alloy not containing tin, during degassing for 15 minutes silver content was increased at metal-ceramic interface. 6. As an oxidized element, tin formed the oxide layers that widen their area by increasing the degassing time, while cobalt and copper showed the morphological changes of particle or crystal on oxide layer.
A 3-ply clad metal consisting of aluminum and copper was fabricated by roll bonding process and the microstructures and mechanical properties of the roll-bonded and post-roll-bonding heat treated Cu/Al/Cu clad metal were investigated. A brittle interfacial reaction layer formed at the Cu/Al interfaces at and above $400^{\circ}C$. The thickness of the reaction layer increased from $12{\mu}m$ at $400^{\circ}C$ to $28{\mu}m$ at $500^{\circ}C$. The stress-strain curves demonstrated that the strength decreased and the ductility increased with heat treatment up to $400^{\circ}C$. The clad metal heat treated at $300^{\circ}C$ with no indication of a reaction layer exhibited an excellent combination of the strength and ductility and no delamination of layers up to final fracture in the tensile testing. Above $400^{\circ}C$, the ductility decreased rasxpidly with little change of strength, reflecting the brittle nature of the intermetallic interlayers. In Cu/Al/Cu clad heat treated above $400^{\circ}C$, periodic parallel cracks perpendicular to the stress axis were observed at the interfacial reaction layer. In-situ optical microscopic observation revealed that cracks were formed in the Cu layer due to the strain concentration in the vicinity of horizontal cracks in the intermetallic layer, promoting the premature fracture of Cu layer. Vertical cracks parallel to the stress axis were also formed at 15% strain at $500^{\circ}C$, leading to the delamination of the Cu and Al layers.
Journal of the Microelectronics and Packaging Society
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v.11
no.4
s.33
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pp.1-5
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2004
A multi-layer flexible substrate is composed of copper(Cu)/polyimide that are known as good electrical conductivity, and low dielectric constant, respectively. In this study. conductor line of $5{\mu}m$-pitch was successfully fabricated without non-uniform pattern shape by electroplating copper and coating polyimide on patterned stainless steel. For multi-layer flexible substrate, via holes were drilled by UV laser and filled with electroplating copper and tin. And then, the PI layer with vias and conductor lines was stripped from stainless steel substrate. The PI layers were laminated at once with careful alignment between layers. Solid state reaction between tin and copper during lamination formed the intermetallic compounds of $Cu_6Sn_5$($\eta$-phase) and $Cu_3Sn$($\epsilon$-Phase) and achieved a complete inter-connection by vertically positioning the plugged via holes on via pad. The via formation process has several advantages; such as better electrical property and lower cost than V type via and paste via.
Lee, Jang-Hun;Han, Yoonsung;Lee, Ho-Nyun;Hur, Jin-Young;Lee, Hong Kee
Journal of Surface Science and Engineering
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v.46
no.1
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pp.9-15
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2013
The effect of the additionally applied electrical current on the adhesion strength between electroless Cu and polyimide films was investigated. Peel tests were performed after applying electrical current within the range from 0.1 to 100 mA for the duration from 1 to 30 minutes. Sample with more than 1 mA of additional electrical current for 1 minute showed higher adhesion strength than that without additional electrical current. However, samples with 10 mA of additional electrical current for more than 10 miniutes showed the degradation of adhesion strength. Ra and RMS values of the peeled polyimide surface were proportional to the adhesion strength though there were no significant changes in the morphology of the peeled surfaces with varied amount and time-length of additional electrical current. Applying electrical current could increase the density of chemical bonding, which results in increase of the adhesion strength between copper and polyimide. However, in the case of applying additional electrical current for excessive amount or time, the degradation of the adhesion strength owing to the formation of copper oxide at the interface could occur.
Polyimide (PI) surface modification was carried out by ion-beam treatment and silane-imidazole coupling agent to improve the adhesion between polyimide film and copper. Silane-imidazole coupling agent contains imidazole functional groups for the formation of a complex with copper metal through a coordination bonding and methoxy silane groups for the formation of siloxane polymers. The PI film surface was first treated by argon (Ar)/oxygen ($O_2$) ion-beam, followed by dipping it into a modified silane-imidazole coupling agent solution. The results of X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) spectra revealed that the $Ar/O_2$ plasma treatment formed oxygen functional groups such as hydroxyl and carbonyl groups on the polyimide film surface and confirmed that the PI surface was modified by a coupling reaction with imidazole-silane coupling agent. Adhesion between copper and the treated PI film by ion-beam and coupling agent was superior to that with untreated PI film. In addition, adhesion of PI film treated by an $Ar/O_2$ plasma to copper was better than that of PI film treated by a coupling agent. The peeled-off layers from the copper-PI film joint were completely different in chemical composition each other. The layer of PI film side showed similar C1s, N1s, O1s spectra to the original Upilex-S and no Si and Cu atoms appeared. On the other hand the layer of copper side showed different C1s and N1s spectra from the original PI film and many Si and Cu atoms appeared. This indicates that the failure occurs at an interface between the imidazole-silane and PI film layers rather than within the PI layers.
Gutmann, R.J.;Zeng, A.Y.;Devarajan, S.;Lu, J.Q.;Rose, K.
JSTS:Journal of Semiconductor Technology and Science
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v.4
no.3
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pp.196-203
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2004
A three-dimensional (3D) IC technology platform is presented for high-performance, low-cost heterogeneous integration of silicon ICs. The platform uses dielectric adhesive bonding of fully-processed wafer-to-wafer aligned ICs, followed by a three-step thinning process and copper damascene patterning to form inter-wafer interconnects. Daisy-chain inter-wafer via test structures and compatibility of the process steps with 130 nm CMOS sal devices and circuits indicate the viability of the process flow. Such 3D integration with through-die vias enables high functionality in intelligent wireless terminals, as vertical integration of processor, large memory, image sensors and RF/microwave transceivers can be achieved with silicon-based ICs (Si CMOS and/or SiGe BiCMOS). Two examples of such capability are highlighted: memory-intensive Si CMOS digital processors with large L2 caches and SiGe BiCMOS pipelined A/D converters. A comparison of wafer-level 3D integration 'lith system-on-a-chip (SoC) and system-in-a-package (SiP) implementations is presented.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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