Accelerated lifetime estimation of copper ball bonds using experimental methods and finite element analysis

Das Ziel dieser Arbeit war es, ein ultraschnelles, mechanisches Prüfsystem für miniaturisierte "Ballbond"-Verbindungen weiterzuentwickeln, Ermüdungsmessungen durchzuführen und zu analysieren. Da mechanische Testmethoden bei der Zuverlässigkeitsprüfung von "Bond"-Verbindungen nicht den realen Bedingungen entsprechen und thermische Belastungstests zeitaufwändig sind, ist die Entwicklung von neuen und geeigneten Testmethoden erstrebenswert und von großer Bedeutung für Forschung und Industrie. Die Forschungsgruppe Mikromaterialien der Universität Wien hat eine Methode entwickelt, mit der es möglich ist, "Bond"-Verbindungen mit Hilfe eines Ultraschall-Resonanz-Systems in extrem kurzer Zeit auf ihre Ermüdungseigenschaften zu testen. Diese Methode wurde für dicke Aluminium-"Wedgebonds" (Durchmesser 400 mikrometer) eingesetzt. Der gewünschte Fehlermode eines "Wire Lift Off" konnte erfolgreich erzeugt werden und entsprechende Resultate zeigten eine Übereinstimmung mit konventionellen Prüfmethoden. Hauptziel dieser Diplomarbeit war es, die beschriebene Testmethode auf extrem kleine "Ball Bond"-Verbindungen von Kupferdraht (Durchmesser 50 mikrometer) und Aluminium-Metallisierung anzuwenden. Eine spezielle Probenpräperation sollte es ermöglichen, die Ermüdungseigenschaften einer solchen Verbindung durch "Wire Lift Off" zu testen. Experimentelle Ergebnisse sollen dazu verwendet werden, Lebensdauerkurven und Lebensdauermodelle in Abhängigkeit der Schubspannungen und der von-Mises-Vergleichsspannungen, zu berechnen durch die Finite-Elemente-Methode (FEM), auszudrücken. Durch den Vergleich der Lebensdauerkurven und Lebensdauermodelle, die durch Schubspannungen bestimmt wurden, wird ersichtlich, dass die erhaltenen Ergebnisse für Tech-A und Tech-B nicht übereinstimmen. Durch die Einbeziehung geometriebedingter Faktoren in der Finite-Elemente-Simulation ergaben sich für die daraus erhaltenen Lebensdauerkurven vergleichbare Werte, was auch Herstellerangaben und Schertests entspricht.The main objective of this thesis was to develop an accelerated test method for the reliability assessment of Cu-Al ball bonds (Cu wire diameter ~50µm) and to propose lifetime prediction models for these interconnects by means of experimental procedures and Finite Elemente Method (FEM) simulations. Developed by the research group “Micromaterials” at the University of Vienna the present work uses a mechanical setup, based on an ultrasonic resonance fatigue testing system, to induce cyclic stresses in the metallic microinterconnects at a frequency of 20 kHz. Using soldering techniques and tailored templates, a special sample preparation method was developed in order to obtain wire bond lift-off failure of the Cu ball bond on the Al metallization pad. Lifetime curves in terms of average shear stress versus number of loading cyles were determined for two types of sample geometries consisting of single and multiple ball bonds. As expected the sample geometry seems to have a pronounced influence on the results of fatigue tests, which can be considered and calculated by means of FEM simulation. These results are in conformity with producer information concerning a comparable quality of ball bond connection for both types of technologies

Phase sensitive multichannel OCT

Das Ziel dieser Dissertation war es, Methoden fuer die phasensensitive Optische Kohaerenztomographie (OCT) mit mehreren Kanaelen für Licht im Bereich von 840 nm und 1040 nm zu entwickeln. Konventionelle OCT gewinnt strukturelle Information durch die Beleuchtung der Probe mit einem Lichtstrahl, der von einem Laser mit bestimmten Kohaerenzeigenschaften erzeugt wird. Dabei wird das rueckgestreute Licht parallel zum einfallenden Strahl aufgenommen und ausgewertet. Kombiniert man diese Methode mit einem Rasterscan, können 2D und 3D Strukturen abgebildet werden. Die dabei erzielte Auflösung liegt im Mikrometerbereich. Oft entsteht der Bedarf an zusaetzlichem Kontrast. Dieser kann unter anderen dadurch erzeugt werden, dass die Phase des Interferenzsignals analysiert wird. Weiters kann die Probe mit mehreren Strahlen beleuchtet werden oder das Signal mit mehreren Kanaelen aufgenommen werden. Phasensensitive OCT liefert zusaetzlichen Kontrast und Information, waehrend Multi-Channel OCT hoehere Aufnahmegeschwindigkeiten, groessere Scan-Felder sowie variantenreichere differentielle Messmethoden ermöglicht. Unter den differentiellen, phasensensitiven Messmethoden sind vor allem Doppler OCT (D-OCT) und polarisationsensitives OCT (PS-OCT) vielversprechende Weiterentwicklungen der konventionellen OCT. Waehrend die erstgenannte die Bewegung der rueckstreuenden Partikel analysiert, misst die zweitgenannte Aenderungen des Polarisationszustands, die von der Probe bewirkt werden. Beide Methoden erzeugen zusaetzlichen Bildkontrast und Information. Durch die Kombination einer kurzen Aufnahmezeit und der Nichtinvasivitaet von OCT sind beide Methoden sehr gut für in vivo Messungen am menschlichen Auge geeignet. Im Rahmen dieser Dissertation werden zwei phasensensitive OCT Systeme mit mehreren Kanaelen vorgestellt. Zuerst wird ein D-OCT System mit drei Messstrahlen, die von unterschiedlichen Richtungen aber simultan die Probe beleuchten, beschrieben. Bei einer zentralen Wellenlänge von 840 nm werden drei separate Laserquellen verwendet. Dadurch kann Cross-Talk zwischen den Kanaelen vermieden werden und der volle Tiefenbereich für jeden Kanal erzielt werden. Essentiell bei dieser Idee ist, dass durch die drei unterschiedlichen Messrichtungen der absolute Geschwindigkeitsvektor der, sich bewegenden, Streuzentren bestimmt werden kann. Eine genaue Kenntnis der dreidimensionalen Orientierung des Geschwindigkeitsvektors aus strukturellen OCT-Daten ist dadurch nicht notwendig. Das entwickelte System wird in vitro an zwei Testproben und in vivo an Bifurkationen retinaler Blutgefaesse demonstriert. Als zweites wird ein PS-OCT System vorgestellt, das mit Single Mode (SM) Fasern designt werden konnte. Die laengere Wellenlaenge von 1040 nm ermoeglicht eine erhoehte Eindringtiefe in biologisches Gewebe. SM-Fasern machen es notwendig, Bauteile zu verwenden, die eine Kontrolle des Polarisationszustandes des Lichtes ermoeglichen. Diese an mehreren Stellen eingebauten Bauteile erlauben es, die Probe mit zirkulaer polarisiertem Licht zu beleuchten. Weiters wird durch diese Bauteile erreicht, dass der Polarisationszustand im gesamten System kontrolliert werden kann. Fuer die Bildgebung ist von Bedeutung, dass durch die SM-Fasern Artefakte und Sekundaerbilder, die auf Polarisationseffekte zurueckzufuehren sind, reduziert werden. Somit entsteht eine Alternative zu anderen komplexeren und teureren SM-Faser basierenden Methoden, wie zum Beispiel Multiplexing und sequentieller Beleuchtung, oder Varianten die auf polarisationserhaltenden Fasern beruhen. Die Positionierung und Einstellung der Bauteile zur Kontrolle des Polarisationszustandes wird erklaert und anhand von Kalibrationsmessungen bestaetigt. Die in vivo Anwendbarkeit wird durch Messungen an der Retina gesunder menschlicher Probanden demonstriert. Diese Dissertation ist um zwei, in peer-reviewed Journalen erschienenen, Publikationen aufgebaut. Weiters werden in den ersten Kapiteln die zugrundeliegenden Prinzipien erklaert.The main aim of this thesis was to develop and improve phase sensitive, multichannel methods for optical coherence tomography (OCT) using light in the 840 nm and 1040 nm regime. Conventional OCT provides purely structural information by illuminating the sample by one beam and recording the backscattered signal with one detection channel. Combination of this approach with a raster scan enables the acquisition of 2D and 3D structural information with a resolution in the micrometer regime. However, sometimes additional image contrast or information is desired. Amongst other approaches, this can be provided by a phase sensitive analysis of the interference pattern. Combining phase sensitivity with the illumination of the sample by more than one beam and/or by recording the data using more than one data acquisition channel allows for even more enhanced imaging. While phase sensitive OCT gives access to additional contrast and information, multichannel OCT can provide higher imaging speed, scan 􏰄eld size and 􏰅exible di􏰃erential measurements. Amongst the di􏰃erential, phase sensitive approaches, Doppler OCT (D- OCT) and polarization sensitive OCT (PS-OCT) are two of the most promising OCT modalities. While the former targets information on the movement of backscattering particles, the latter measures alterations of the polarization state of the light induced by the sample. Both techniques provide additional image contrast and are, due to the non-invasive and fast character of OCT, well suited for in vivo imaging of the human eye. In the course of this thesis, two di􏰃erent multichannel, phase sensitive OCT systems will be presented. First, a D-OCT system with three di􏰃erent sampling beams is described. With a central wavelength of 840 nm these three beams are emitted by three individual laser sources. This e􏰃ectively eliminates any cross talk and provides the full depth range for each channel. Furthermore, by illuminating the sample from three di􏰃erent directions, the absolute velocity vector can be reconstructed without the need for additional information on its orientation from structural data. The developed system is demonstrated for in vitro and in vivo imaging. For the latter, the retinal blood 􏰅ow in a venous bifurcation of a healthy human volunteer was analyzed. Second, a single mode (SM) 􏰄ber based PS-OCT system operating with light centered around 1040 nm is presented. The longer wavelength provides a deeper penetration into biological samples. The SM 􏰄ber design requires the use of polarization control units at various positions along the 􏰄ber based system. These provide a circular polarization state at the sample but also control the polarization state throughout the system. Using SM 􏰄bers in combination with a prede􏰄ned polarization state at the sample reduces polarization dependent artifacts and forms a less complex alternative to SM approaches using multiplexing, sequential illumination or polarization maintaining 􏰄bers. The arrangement and alignment of the polarization control units is explained and validated by calibration measurements. Furthermore, imaging results obtained from healthy human volunteers are presented. This thesis is composed around two articles published in peer reviewed journals. Furthermore, the underlying basic principles are explained.submitted by Wolfgang TrasischkerAbweichender Titel laut Übersetzung der Verfasserin/des VerfassersWien, Med. Univ., Diss., 2015OeBB(VLID)171563

Media 2: Large-field high-speed polarization sensitive spectral domain OCT and its applications in ophthalmology

Originally published in Biomedical Optics Express on 01 November 2012 (boe-3-11-2720

Media 1: Large-field high-speed polarization sensitive spectral domain OCT and its applications in ophthalmology

Originally published in Biomedical Optics Express on 01 November 2012 (boe-3-11-2720