Wire Bonding and Flip Chip - CMOS Force Sensors for

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 mea-
sures 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 tri-
axial 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 mea-
sured 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 ther-
mosonic wire bonding. By means of symmetry considerations essential sensor
properties are extracted. For quantitative understanding, mechanical and elec-
trostatic 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 pro-
cess 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 intercon-
nection 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 inter-
connection 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 accelera-
tion 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 Verbindungs-
steIlen von Drahtverbindungstechnik und Flip-Chip Prozessen auftreten. Der
Sensor misst, im Gegensatz zu anderen Testchips, die Kräfte direktan den Kon-
taktsteIlen. Der Aufbau des Testchips basiert auf einem standart 0.8 um
CMOS-Prozess mit zwei Metallagen und einer Polysiliziumlage. Die zu mes-
sende 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 Mini-
mierung von Temperatureinflüssen in Form einer Wheatstonebrücke angeord-
net sind. Die gemessenen Kräfte beinhalten Informationen über die
ablaufenden physikalischen Prozesse, welche während oder nach dem Verbin-
dungsprozess auftreten. Der Sensor ermöglicht die Auflösung der einzelnen
Ultraschallkraftschwingungen an der Kontaktstelle. Mit Hilfe von Symmetrie-
betrachtungen werden bedeutende Sensoreigenschaften ermittelt. Mechanische
und elektrische FE Methoden werden für ein quantitatives Verständnis herange-
zogen.
Sensitivität- und Offsetcharakterisierungen werden durchgeführt, wobei die
thermischen Eigenschaften besonders gewichtet werden. Die Sensitivität des x-
und 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: Pro-
zesscharakterisierung 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 Chip-
metallisierung und dem Goldkontakt werden weitere Prozesse identifiziert,
welche die maximale Ultraschallkraft am Kontakt limitieren. Die an der Kon-
taktsteIle 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 Verbin-
dungsstärke abgeleitet. Andere Metallisierungskombinationen werden für die
Untersuchung der zweiten Drahtverbindung verwendet.
Die zweite Anwendung beinhaltet die integration der Sensoren in einen Flip-
Chip 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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