Цитата

Оглавление

Проволочное соединение: Полное руководство по процессу, материалам и конструктивным решениям.

Встроен в каждое электронное устройство, начиная с вашего смартфон Блок управления двигателем вашего автомобиля — это кремниевый чип, которому, следовательно, необходимо взаимодействие с внешним миром. Это достигается с помощью микроскопических проводников тоньше человеческого волоса, которые создают пути для протекания электричества, активирующего кремниевый чип. Технология, отвечающая за создание всех этих важных связей, — это технология проволочного соединения – играет важную роль в наиболее широко используемой технологии межсоединений в полупроводниковой упаковке.

В этом руководстве вы подробно изучите технологии проволочного соединения, сам процесс, материалы и диаметр соединительных проводов, а также некоторые важные инженерные решения, определяющие их успех. Вы также узнаете о подробном сравнении технологий «перевернутого чипа» и некоторых ключевых методах тестирования, позволяющих проверять качество проволочных соединений.

Что такое проволочное соединение?

Скрепление проводов, Этот метод, также известный как сварка в твердом состоянии, применяется для формирования электрических соединений между элементами. Микросхема IC и связанного с ним корпуса или подложки для полупроводниковых интегральных схем в процессе упаковки с использованием очень тонких проводов (размером от 15 до 500 мкм) под действием силы, ультразвуковой энергии и тепла. Следует отметить, что при проволочном соединении отсутствуют какие-либо жидкофазные процессы, такие как пайка, для образования соединений между проводами и контактными площадками на основе атомной диффузии на их границах раздела, поскольку его основная цель — установление низкое сопротивление а также надежные электрические соединения, способные выдерживать условия эксплуатации и срок службы.

3 основных метода проволочного соединения

Существует три основные технологии проволочного соединения, каждая из которых подходит для определенных типов применения и материалов.

Склеивание шариками (термозвуковое)

Этот метод широко применяется в процессах сварки золотой и медной проволоки. Он включает в себя формирование Мяч в свободном воздухе (FAB) на конце провода с использованием метода электрической искры, называемого Электронный предохранитель (EFO). Плата FAB прижимается к контактной площадке на верхней части чипа для создания первоначального соединения с использованием комбинации тепла и ультразвуковой энергии. Затем сварочный аппарат автоматически переключается на вывод подложки для создания еще одного “шва” или клиновидного соединения.

Склеивание клином (ультразвуковое/термозвуковое)

В этой технологии проволока перемещается под углом с помощью клиновидного инструмента для сварки. Клин непосредственно прижимает проволоку к контактной площадке, используя в основном ультразвуковую энергию (с нагревом или без него) для сварки как первого, так и второго контакта. Эта технология обеспечивает более высокую точность, чем шариковая сварка, и предпочтительна для устройств, требующих высокой чувствительности или низкого профиля петли, особенно для алюминий и золотые провода.

Термокомпрессионная сварка

Это более старый метод соединения, использующий только высокие температуры (300-500℃) и давление для образования соединения посредством твердотельной диффузии. Этот метод не использует никакой энергии. Он также исключает возможность повреждения от ультразвука, но является сравнительно более медленным методом и обычно применяется для соединения золота с золотом, для которого ультразвук нежелателен.

Сравнительная таблица: Шаровидная, клиновидная и термокомпрессионная сварка

ХарактеристикаСклеивание шариковклиновидное соединениеТермокомпрессионная сварка
Используемые основные проводаЗолото, медьАлюминий, золотоЗолото
Типичный процессТермозвуковойУльтразвуковой / ТермозвуковойТепловой
СкоростьОчень быстроУмеренныйМедленный
Возможности подачиСтандартный шаг до тонкогоСверхтонкий шагТонкий шаг
Направление облигацийТребуется вращение между связями.Линейная; вращение не требуется.Требуется поворот
ТемператураПовышенная температура (например, ~150-200°C)Можно проводить при комнатной температуре.Очень высокая температура (~300-500°C)

Пошаговое руководство по процессу проволочного соединения

Успешное проволочное соединение достигается с помощью этого точного и воспроизводимого процесса:

  1. Подготовка поверхности: Как поверхность чипа, так и поверхность подложки должны быть тщательно очищены от любых веществ или оксидов, которые могут создавать помехи.
  2. Настройка параметров склеивания: Аппарат для склеивания запрограммирован на оптимальные параметры склеивания: величину давления, мощность ультразвука, время склеивания и температуру склеивания для выбранных материалов проволоки и контактной площадки.
  3. Образование первой связи: Аппарат выполняет первое соединение, будь то шариковое или клиновидное, на контактной площадке микросхемы.
  4. Петля из проводов: С помощью капиллярного или клиновидного инструмента для проволочного соединения проволока изгибается, чтобы разместить ее во второй точке соединения на подложке, образуя проволочную петлю. Форма проволоки имеет решающее значение для надежного проволочного соединения.
  5. Образование второй связи: Технология склеивания создает второе соединение на подложке, и это соединение может быть выполнено в виде шовного соединения при шариковом склеивании или второго клиновидного соединения при клиновидном склеивании.
  6. Соединение и отрыв концов проводов: Проволока зажимается, а инструмент для сварки извлекается, чтобы отломить проволоку во второй точке сварки и создать хвостовую часть для использования в первой точке сварки в следующем цикле.

Выбор материалов для соединительных проводов

Типы материалов проводов также представляют собой важный фактор, определяющий сочетание стоимости и производительности при любом конкретном применении кабельной проводки.
МатериалПроводимостьСтоимостьТвердостьОсновные преимуществаОсновные проблемы и надежность
Золото (Au)ПревосходноВысокийМягкийПластичный, высоконадежный, с превосходной коррозионной стойкостью.Дорогой; становится хрупким. интерметаллиды (например, “пурпурная чума”) с алюминиевыми накладками
Медь (Cu)ПревосходноНизкийЖесткийЭкономически выгодный, с высокой механической прочностью и высокой проводимостью.Склонен к окислению/затвердеванию; высокая коррозия риск; может повредить деликатные подушечки
Алюминий (Al)ХорошоСамый низкийМягкийЭкономичный, простой процесс, отсутствие проблем с интерметаллическими соединениями при использовании алюминиевых контактных площадок.Восприимчив к гальваническая коррозия; образует естественный оксидный слой
Серебро (Ag)ПревосходноMediumMediumОтличная проводимость, многообещающая альтернативаСклонен к потускнению (образование сульфида серебраменее долгосрочные данные

Выбор диаметра соединительного провода

Выбор подходящего сечения провода — один из важнейших аспектов, учитывающих как электрические, так и механические факторы.

  • Фундаментальная загадка: По сути, речь идет о балансе Текущая несущая способность против Гибкость/Тонкий шаг. 
    • Более толстые провода (>50 мкм): Обеспечивают более высокую пропускную способность по току и жесткость, но при этом более жесткие, имеют большие контактные площадки и не поддерживают устройства с малым шагом выводов.
    • Более тонкие проволоки (< 25 мкм): Эти проволоки способствуют более высокому тону и более высоким частотам. Ввод/вывод Они имеют больший запас прочности, подходят для коротких циклов и создают меньшую нагрузку на микросхему. Однако они проводят меньший ток и подвержены поломкам или повреждениям.
  • Руководство по отбору на основе заявлений:
    • Мощные устройства (например, IGBT, силовые модули): Для работы с высокими токами (2 А и более) используйте толстые алюминиевые или медные провода (от 125 мкм до 500 мкм).
    • Стандартные интегральные схемы/микроконтроллеры: Стандартное золото или Медные провода Следует использовать (25–33 мкм) с номинальным током около 0,5–1 А.
    • Сверхтонкий шаг и радиочастотная связь: Для уменьшения паразитной индуктивности и обеспечения плотного контакта с контактными площадками следует использовать тонкие золотые проволоки (от 15 до 20 мкм).

Технология Flip-Chip против проволочного соединения

Это очень важное архитектурное решение, лежащее в основе дизайна упаковки.

  • Обзор процесса проволочного соединения: Полупроводниковые элементы располагаются вертикально, а по их краям к подложке припаиваются провода. Таким образом достигается классическое соединение, напоминающее паутину.
  • Обзор технологии «флип-чип»: В этой технологии микросхема “переворачивается” вверх ногами и напрямую прикрепляется к подложке посредством паяных контактов, покрывающих всю ее площадь. Для усиления этих точек соединения также добавляется материал, называемый “подложкой”.

Подробная таблица сравнительного анализа:

ПараметрСкрепление проводовФлип-Чип
Длина межсоединенияДлинные (1-3 мм)Очень короткий (высота паяного контакта)
Паразитная индуктивность/сопротивлениеВысокийОчень низкий
Тепловые характеристикиУмеренный (путь передачи тепла через заднюю поверхность чипа)Превосходно (прямой путь к субстрату)
Плотность ввода/выводаОграничено периметром чипа.Очень высокий (массив полной площади)
FootprintБольшеКомпактный
Стоимость процессаНижнийБолее высокое (нанесение бугорков, недозаполнение)
Переделка/РемонтВозможныйСложно / Невозможно
Типичные области примененияЧувствительный к затратам, потребитель, автомобильныйВысокопроизводительные вычисления, радиочастоты, графические процессоры

Резюме: Хотя проволочное соединение является экономически эффективным и наиболее распространенным методом для большинства применений, для высокопроизводительных приложений в условиях высоких электрических/тепловых нагрузок предпочтительным методом соединения для современных корпусов является технология Flip-Chip.

Как проверить и осмотреть проволочные соединения

Фактически, тестирование необходимо для обеспечения качества проволочных соединений в таких масштабах.

  1. Управление технологическими процессами и мониторинг в режиме реального времени
  2. Разрушающие испытания (для квалификации технологического процесса и контроля качества партий)
    • Проверка натяжения провода: Проволоку поднимают крюком до тех пор, пока она не разорвется по вертикальной длине. Это позволяет получить информацию о прочности соединения и точках разрушения (в местах соединения, в центре или при отрыве от основы).
    • Испытание на сдвиг шарика: Для измерения силы сдвига подвижное устройство горизонтально срезает шариковый контакт на контактной площадке. Это делается главным образом для определения прочности первого контакта, что имеет решающее значение для любого электрического соединения.
  3. Неразрушающий контроль (для Обеспечение качества)
    • Электрические испытания: Проверки на целостность цепи и изоляцию проводятся для обнаружения обрывов или коротких замыканий в проводах.
    • Рентгеновский осмотр: Выявляет скрытые дефекты, такие как следы от проволоки после формования, несовпадение соединений или пустоты внутри самих соединений. Подобные тесты имеют решающее значение для обнаружения любых дефектов. производственные процессы.

Эти испытания необходимы для выявления производственных дефектов. Однако долговременная надежность в отношении механизмов отказов, таких как... усталость и коррозия Это отдельная, более сложная тема. Чтобы глубже изучить эти проблемы, ознакомьтесь с нашей следующей статьей: Анализ отказов при проволочном соединении: преодоление коррозии, усталости и ‘фиолетовой чумы’

Заключение

Несмотря на появление новых технологий, проволочное соединение остается и будет оставаться бесспорным основным методом сборки электроники: классической технологией, которая наиболее удачно сочетает в себе экономичность и гибкость, обеспечивая при этом высокую надежность. Это объясняется тем, что для того, чтобы проволочное соединение действительно представляло огромную ценность для своих пользователей, необходимо в полной мере оценить его обширную взаимосвязь с различными процессами, материаловедением и конструкциями — то есть, выбрать правильный размер проволочного соединения или правильный момент для перехода к другому подходу, такому как Flip-Chip.

Часто задаваемые вопросы о проволочном соединении

Исторически золото является наиболее распространенным материалом благодаря превосходному сочетанию проводимости, устойчивости к окислению и доказанной надежности в долгосрочной перспективе. Однако, медь становится все более популярной в качестве экономически эффективной альтернативы, если удается справиться с техническими проблемами.

Это существенно. Более толстые проволоки требуют большей ультразвуковой энергии и силы сцепления, что может привести к повреждению хрупких микросхем. Более тонкие проволоки более склонны к обрыву во время намотки. Диаметр напрямую влияет на параметры машины, которые необходимо тщательно оптимизировать для обеспечения стабильного процесса.

Скорее всего, нет. Технология Flip-Chip обычно имеет более высокую общую стоимость из-за процесса обработки кристалла и заполнения зазоров. Проволочное соединение остается предпочтительным вариантом для подавляющего большинства экономичных и крупносерийных потребительских и промышленных применений. где его производительность более чем достаточна.

Нет. AOI отлично подходит для выявления видимых морфологических дефектов. Однако он не может измерить прочность сцепления или обнаружить проблемы на границе раздела (например, слабую адгезию или ранний рост интерметаллических соединений). Комплексная программа контроля качества. должен Включать разрушающие механические испытания (на растяжение/сдвиг) на основе статистической выборки для подтверждения целостности соединения.

Петля обеспечивает механическую свободу и контролируемое снятие напряжения. Слишком натянутая проволока очень подвержена обрыву из-за разницы температур, теплового расширения, механических ударов или вибраций. Высота и форма петли являются критически важными параметрами конструкции для обеспечения долгосрочной надежности.

Получить цитату

Похожие блоги