DISS. ETH No. 15293

CMOS Force Sensors for Wire Bonding and Flip Chip Process Characterization A'dissertation submitted to the SWISS FEDERAL INSTITUTE OF TECHNOLOGY ZURlCH for the degree of Doctor ofNatural Seiences

presented by JürgSchwizer Dip!. Phys. ETH Born on November 2, 1973 Citizen ofPfaffnau, LU

accepted on the recommendation of Prof. Dr. Henry Baltes, exarniner Prof. Dr. Oliver Brand, co-examiner Prof. Dr. Christofer Hierold, co-examiner 2003

ABSTRACT This thesis reports on a novel packaging test chip family optimized for sensing forces at the electrical interconnection joints of wire bonding and flip-chip packaging processes. In contrast to other packaging test chips, the sensor measures the force acting on the contacts. The core design of the test chip family is based on a standard 0.8 um, double metal, single polysilicon CMOS process. On-chip multiplexer circuity selects the interconnection joint to be measured. Up to 48 sensors are available on a 3 x 3 mm2 die. The use ofthe geometrical symmetries ofthe contact enables the design ofa triaxial force sensor capable of recording the complete set of forces at the contact zone. The x, y, and z-force sensors each consist of four piezoresistors in a Wheatstone bridge arrangement to minimize temperature influences. The measured force signals provide information on physical processesoccurring during or after the bonding process. The sensors are capable of resolving the individual oscillations of the ultrasound force acting on the contact pad during thermosonic wire bonding. By means of symmetry considerations essential sensor properties are extracted. For quantitative understanding, mechanical and electrostatic FEM simulations are performed. Sensor sensitivity and offset characterization are carried out with an emphasis on thermal behavior. The sensitivity of the x-force and y-force sensors is 10.3 ± 0.5 mV/VlNat 25°C, whereas the sensitivity of the z-force sensor is 2.24 ± 0.05 mVNIN. The noise equivalent force (NEF) of the x-force and y-force sensor is found to be 0.5 mN at a bandwidth of 1.5 MHz. Applications for this sensor family are found in three fields:wire bonding process investigation, flip-chip packaging, and as an acceleration sensor. During wire bonding physical processes are identified from the recorded force signals. In addition to friction at the contact zone between pad and gold ball, processes can be identified which limit the maximal ultrasound force that can be exerted on the contact zone. The measured force at the contact zone is related to the wire bonding machine settings for the ultrasound amplitude and normal force.· Bond parameter regions are identified for which a significant discrepancy between physical quantities at the bond zone and machine settings is found. For Au-Al bond contacts, a quality parameter is extracted from the sensor signal. Other metallization combinations are used to investigate the second bond of a ball-wedge wire bonding process.

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The second application involves the integration of the sensor in a flip-chip device to perform real-time and in situ monitoring ofthe forces at the interconnection joints. It is therefore an efficient tool for flip-chip process development and optimization, including the examination of material and reliability issues. Measurements during thermal cycling and ben ding of the device are presented. The solder joints under measurement also serve the purpose of electrical interconnection for read-out of the sensor signals. In the third application, a low-cost, fully CMOS compatible accelerometer based on a flip-chip device is proposed. In contrast to other integrated acceleration sensing devices, the whole chip is used as seismic mass, avoiding the need for additional etching steps necessary for sensing mass fonnation.

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ZUSAMMENFASSUNG Die vorliegende Dissertationsarbeit berichtet über eine neuartige Testchip Familie für die Messung von Kräften, welche an den elektrischen VerbindungssteIlen von Drahtverbindungstechnik und Flip-Chip Prozessen auftreten. Der Sensor misst, im Gegensatz zu anderen Testchips, die Kräfte direktan den KontaktsteIlen. Der Aufbau des Testchips basiert auf einem standart 0.8 um CMOS-Prozess mit zwei Metallagen und einer Polysiliziumlage. Die zu messende Verbindung wird mit einem integrierter Multiplexer selektiert. Auf einem 3 x 3 mm2 grossen Chip sind bis zu 48 Sensoren integriert. Die Benützung der geometrischen Symmetrien des Kontakts ermöglicht die Aufzeichnung des vollständigen Kräftesystems an der Kontaktstelle. Jeder der x, y und z-Kraftsensoren besteht aus vier Piezowiderstände, welche zur Minimierung von Temperatureinflüssen in Form einer Wheatstonebrücke angeordnet sind. Die gemessenen Kräfte beinhalten Informationen über die ablaufenden physikalischen Prozesse, welche während oder nach dem Verbindungsprozess auftreten. Der Sensor ermöglicht die Auflösung der einzelnen Ultraschallkraftschwingungen an der Kontaktstelle. Mit Hilfe von Symmetriebetrachtungen werden bedeutende Sensoreigenschaften ermittelt. Mechanische und elektrische FE Methoden werden für ein quantitatives Verständnis herangezogen. Sensitivität- und Offsetcharakterisierungen werden durchgeführt, wobei die thermischen Eigenschaften besonders gewichtet werden. Die Sensitivität des xund y-Kraftsensors ist 10.3 ± 0.5 mVN/N, die Sensitivität des z-Kraftsensors ist 2.24 ± 0.05 mV/V/N bei 25°C. Die dem Rauschen äquivalente Kraft der xl y-Kraftsensoren beträgt 0.5 mN auf einem Frequenzbereich von 1.5 MHz. Der Sensor wird in drei verschiedenen Anwendungsbereichen verwendet: Prozesscharakterisierung der Drahtverbindungstechnik, Flip-Chip Verpackung und als kostengünstiger Beschleunigungssensor. Während dem Drahtschweissen können physikalische Prozesse durch die aufgezeichneten Signale identifiziert werden. Zusätzlich zur Reibung an der Verbindungsstelle zwischen der Chipmetallisierung und dem Goldkontakt werden weitere Prozesse identifiziert, welche die maximale Ultraschallkraft am Kontakt limitieren. Die an der KontaktsteIle gemessenen Kräfte werden mit den Maschineneinstellungen für Ultraschall und Normalkraft in Beziehung gestellt. Parameterkombinationen werden identifiziert, für welche deutliche Unterschiede zwischen den physikali-

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sehen Grössen an der Kontaktzone und den Maschineneinstellungen existieren. Für den Gold-Aluminiumkontakt wird ein Qualitätsparameter für die Verbindungsstärke abgeleitet. Andere Metallisierungskombinationen werden für die Untersuchung der zweiten Drahtverbindung verwendet. Die zweite Anwendung beinhaltet die integration der Sensoren in einen FlipChip um in Echtzeit die Kräfte an den einzelnen Kontakten zu messen. Bei der dritten Anwendungsmöglichkeit wird ein kostengünstiger, vollständig CMOS kompatibler Beschleunigungsaufnehmer vorgeschlagen. Die ganze Chipmasse findet als beschleunigte Masse verwendung, dies im Gegensatz zu anderen integrierten Beschleunigungsaufnehmer. Zusätzliche Ätzschritte, wel- , ehe normalerweise rür das Freilegen der beschleunigten Masse notwendig sind, können dadurch umgangen werden.

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