Склеивание проводов - Wire bonding

Золотая проволока, связанная шариком с золотом контактная площадка
Алюминиевые провода, соединенные клином с KSY34 транзистор умереть
Германиевый диод AAZ15 скреплен золотой проволокой
Соединения в силовом блоке выполняются с использованием толстых (от 250 до 400 мкм) алюминиевых проводов с клиновым соединением.
Внутри связанного провода BGA упаковка; в этом пакете есть Nvidia GeForce 256 GPU

Склеивание проводов это метод установления взаимосвязей между Интегральная схема (IC) или другие полупроводниковый прибор и это упаковка в течение изготовление полупроводниковых приборов. Хотя это и менее распространено, соединение проводов можно использовать для подключения ИС к другой электронике или для подключения от одной печатная плата (PCB) на другой. Соединение проводов обычно считается наиболее рентабельной и гибкой технологией межсоединений и используется для сборки подавляющего большинства полупроводниковых корпусов. Связывание проводов можно использовать на частотах выше 100 ГГц.[1]

Материалы

Связующие проволоки обычно состоят из одного из следующих материалов:

Диаметр проволоки начинается от 15 мкм и может достигать нескольких сотен микрометров для высокопроизводительных приложений.

Индустрия изготовления проводов переходит с золота на медь.[2][3][4] Это изменение было вызвано ростом стоимости золота и сравнительно стабильной и гораздо более низкой стоимостью меди. Обладая более высокой теплопроводностью и электропроводностью, чем золото, медь ранее считалась менее надежной из-за ее твердость и подверженность коррозии. К 2015 году ожидается, что более трети всех используемых машин для сварки проводов будет настроено на медь.[5]

Медная проволока стал одним из предпочтительных материалов для межблочных соединений во многих полупроводник и микроэлектронные приложения. Медь используется для соединения шариков тонкой проволокой размером от 0,0004 дюйма (10 микрометров) до 0,004 дюйма (100 микрометров).[6]. Медная проволока может использоваться с меньшими диаметрами, обеспечивая те же характеристики, что и золото, без высокой стоимости материала.[7]

Медная проволока до 0,020 дюйма (500 мкм)[8] может быть успешно клин скрепленный. Медная проволока большого диаметра может заменить и заменяет алюминиевую проволоку там, где требуется высокая пропускная способность по току или где есть проблемы со сложной геометрией. Отжиг и технологические этапы, используемые производителями, расширяют возможности использования медной проволоки большого диаметра для соединения клином с кремнием без повреждения матрицы.[7]

Медная проволока действительно создает некоторые проблемы, поскольку она тверже, чем золото и алюминий, поэтому параметры соединения необходимо строго контролировать. Этому материалу свойственно образование оксидов, поэтому необходимо учитывать вопросы хранения и срока годности. Специальная упаковка необходима для защиты медного провода и увеличения срока хранения.[7] Палладий Покрытая медная проволока является распространенной альтернативой, которая показала значительную устойчивость к коррозии, хотя и с более высокой твердостью, чем чистая медь, и более высокой ценой, но все же меньшей, чем у золота. Во время изготовления проволочных соединений медная проволока, а также ее разновидности с гальваническим покрытием должны обрабатываться в присутствии формовочного газа [95% азота и 5% водорода] или аналогичного бескислородного газа для предотвращения коррозии. Способом справиться с относительной твердостью меди является использование разновидностей высокой чистоты [5N +].[5]

Красный, зеленый, синий поверхностный монтаж Светодиодный пакет с золото детали склейки проводов.

Проволока из чистого золота допированный контролируемым количеством бериллий и другие элементы обычно используются для скрепление мячом. Этот процесс объединяет два материала, которые должны быть склеены с использованием тепла, давления и ультразвуковой энергия, называемая террозвуковой связью. Самый распространенный подход в термозвуковая связь прикрепить шарик к микросхеме, тогда связка к субстрат. Очень жесткий контроль во время обработки улучшает характеристики образования петель и устраняет провисание.

Требования к размеру соединения, прочности соединения и проводимости обычно определяют наиболее подходящий размер провода для конкретного применения соединения проводов. Типичные производители делают золотую проволоку диаметром от 0,0005 дюйма (12,5 мкм) и более. Производственный допуск по диаметру золотой проволоки +/- 3%.[9]

Проволока из легированного алюминия обычно предпочтительнее чистой алюминиевой проволоки, за исключением сильноточных устройств, из-за большей легкости волочения до тонких размеров и выше испытание на отрыв сильные стороны готовых устройств. Чистый алюминий и 0,5% магний-алюминий чаще всего используются с размерами более 0,004 дюйма (101 микрометр).

Полностью алюминиевые системы в производство полупроводников устранить "пурпурная чума "(хрупкое интерметаллическое соединение золота и алюминия), иногда связанное с проволокой из чистого золота. Алюминий особенно подходит для термозвуковая связь.

Чтобы гарантировать, что связка высокого качества может быть получена на высоких скоростях производства, при производстве 1% кремний-алюминий провод. Одной из наиболее важных характеристик высококачественной соединительной проволоки этого типа является однородность системы сплава. В процессе производства особое внимание уделяется однородности. Микроскопические проверки структуры сплава готовых партий 1% кремний-алюминиевой проволоки выполняются регулярно. Обработка также осуществляется в условиях, обеспечивающих максимальную чистоту поверхности и гладкую поверхность, а также позволяет полностью разматывать материал без заеданий.[10]

Приемы прикрепления

Демонстрация ультразвукового клинового соединения алюминиевой проволоки между золотыми электродами на печатной плате и золотыми электродами на сапфировой подложке, порядок соединения в обратном порядке.

Основные классы проволочной склейки:

Шариковые соединения обычно ограничиваются золотой и медной проволокой и обычно требуют нагрева. Для соединения клина требуется нагрев только золотой проволоки. Для соединения с помощью клина можно использовать провода большого диаметра или проволочные ленты для силовой электроники. Шаровое соединение ограничено проводами малого диаметра, подходящими для межсоединений.

При любом типе соединения провод прикрепляется к обоим концам с использованием комбинации направленного вниз давления, ультразвуковой энергии и, в некоторых случаях, тепла, чтобы создать сваривать. Тепло используется для смягчения металла. Правильное сочетание температуры и ультразвуковой энергии используется для обеспечения максимальной надежности и прочности проволочного соединения. Если используется тепловая и ультразвуковая энергия, этот процесс называется термозвуковым соединением.

При клиновом соединении проволоку следует протягивать по прямой линии в соответствии с первой связкой. Это замедляет процесс из-за времени, необходимого для центровки инструмента. Однако соединение шара создает первое соединение в форме шара с проволокой, торчащей вверху, не имеющей предпочтения по направлению. Таким образом, проволоку можно протянуть в любом направлении, что ускоряет процесс.

Податливое склеивание[11] передает тепло и давление через эластичную или пригодную для вдавливания алюминиевую ленту и, следовательно, применимо для соединения золотых проводов и выводов луча, которые были подвергнуты гальванопластике, с кремниевой интегральной схемой (известной как интегральная схема с выводами пучка).

Проблемы производства и надежности

Когда дело доходит до изготовления и надежности проводных соединений, возникает множество проблем. Эти проблемы, как правило, являются функцией нескольких параметров, таких как системы материалов, параметры склеивания и условия использования. Различная проволочная связь-блокнот металлические системы, такие как Алюминий -Алюминий (Al-Al), Золото -Алюминий (Au-Al) и Медь -Алюминий (Cu-Al) требует разных производственных параметров и ведет себя по-разному в одинаковых условиях эксплуатации.

Производство проволочной связки

Была проделана большая работа по определению характеристик различных металлических систем, рассмотрению критических производственных параметров и выявлению типичных проблем надежности, возникающих при соединении проводов.[12][13] Когда дело доходит до выбора материала, металлическая система будет зависеть от условий применения и использования. Часто при принятии решения принимаются во внимание электрические свойства, механические свойства и стоимость. Например, сильноточное устройство для космического применения может потребовать соединения алюминиевой проволоки большого диаметра в герметичном керамическом корпусе. Если стоимость является большим ограничением, то может потребоваться отказ от облигаций с золотой проволокой. В последнее время была проведена некоторая работа по изучению соединений медных проводов в автомобилях.[14] Это лишь небольшая выборка, так как проводится обширная работа по обзору и тестированию того, какие системы материалов работают лучше всего в различных приложениях.

С производственной точки зрения параметры склеивания играют решающую роль в образовании и качестве скрепления. Такие параметры, как сила сцепления, энергия ультразвука, температура и геометрия петли, и многие другие, могут иметь значительное влияние на качество сцепления. Существуют различные методы соединения проводов (термозвуковая связь, ультразвуковая склейка, термокомпрессионное соединение ) и типы проволочных облигаций (скрепление мячом, клин ), которые влияют на подверженность производственным дефектам и проблемы с надежностью. Определенные материалы и диаметры проволоки более практичны для мелкого шага или сложных схем. Склеивающая прокладка также играет важную роль, так как наложение металлизации и барьерного слоя (ов) будет влиять на формирование скрепления.

Типичные виды отказов, возникающие в результате плохого качества соединения и производственных дефектов, включают в себя: перелом шейки соединения шара, растрескивание пятки (клиновое соединение), отрыв колодки, отслаивание колодки, чрезмерное сжатие и неправильное интерметаллическое образование. Комбинация испытаний на растяжение / сдвиг проволочного соединения, неразрушающий контроль, и разрушающий физический анализ (DPA) может использоваться для проверки производства и вопросов качества.

Надежность соединения проводов

В то время как при производстве проволочных скреплений основное внимание уделяется качеству скрепления, часто не учитываются механизмы износа, связанные с надежностью проволочных скреплений. В этом случае понимание приложения и среды использования может помочь предотвратить проблемы с надежностью. Типичные примеры сред, которые приводят к сбоям в соединении проводов, включают повышенную температуру, влажность и циклическое изменение температуры.[15]

При повышенных температурах чрезмерное интерметаллиды (IMC) рост может создать хрупкие точки излома. Было проделано много работы по описанию образования интерметаллидов и старения различных металлических систем. Это не проблема для металлических систем, в которых проводное соединение и контактная площадка выполнены из одного и того же материала, такого как Al-Al. Это действительно становится проблемой для разнородных металлических систем. Один из наиболее известных примеров - хрупкие интерметаллиды, образующиеся в золото-алюминиевые IMC Такие как пурпурная чума. Кроме того, проблемы, связанные с распространением, такие как Киркендалл мочеиспускание и пустота по Хорстингу, также могут привести к нарушениям связи.

В условиях повышенной температуры и влажности, коррозия может быть проблемой. Это наиболее часто встречается в металлических системах Au-Al и обусловлено гальваническая коррозия. Присутствие галогенидов, таких как хлор, может ускорить это поведение. Эта Au-Al коррозия часто характеризуется Закон Пека по температуре и влажности. Это не так часто встречается в других металлических системах.

При изменении температуры в проволочном соединении возникает термомеханическое напряжение в результате коэффициент теплового расширения (CTE) несоответствие между эпоксидная формовочная масса (EMC), то рамка, матрицу, клей для матрицы и проволочное соединение. Это ведет к малоцикловая усталость из-за сдвиговых или растягивающих напряжений в проволочной связке. Разные усталость модели были использованы для прогнозирования усталостной долговечности проволочных связей в таких условиях.

Правильное понимание условий использования и металлических систем часто являются наиболее важными факторами для повышения надежности соединения проводов.

Тестирование

Хотя существуют некоторые методы испытаний на растяжение и сдвиг проволочного соединения,[16][17][18][19] они, как правило, применимы для качества изготовления, а не для надежности. Часто это методы монотонного перенапряжения, где критическими выходами являются пиковая сила и местоположение трещины. В этом случае в повреждении преобладает пластичность и не отражаются некоторые механизмы износа, которые могут наблюдаться в условиях окружающей среды.

При испытании на растяжение проволоки под проволокой прикладывается направленная вверх сила, эффективно оттягивая ее от подложки или матрицы.[20] Цель теста такова: MIL-STD-883 2011.9 описывает его: «Для измерения прочности сцепления, оценки распределения прочности сцепления или определения соответствия установленным требованиям к прочности сцепления». Проволоку можно натянуть до разрушения, но есть и неразрушающие варианты, при которых проверяется, выдержит ли провод определенное усилие. Методы неразрушающего контроля обычно используются для 100% -ного тестирования критически важных для безопасности, высококачественных и дорогостоящих продуктов, избегая повреждения допустимых проверенных проводных соединений.

Термин «протягивание проволоки» обычно относится к вытягиванию проволоки с помощью крюка, установленного на датчике натяжения на тестер облигаций. Однако, чтобы способствовать определенным режимам отказа, провода можно разрезать, а затем протянуть пинцетом, также установленным на датчике натяжения на тестере связи. Обычно проволока диаметром до 75 мкм (3 мил) классифицируется как тонкая проволока. За пределами этого размера мы говорим о тестировании толстой проволокой.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ В. Валента и др., «Проектирование и экспериментальная оценка межкомпонентных соединений с компенсированной связью выше 100 ГГц», Международный журнал микроволновых и беспроводных технологий, 2015 г..
  2. ^ «K&S - ACS Pro». www.kns.com.
  3. ^ Мохофф, Николас (26 марта 2012 г.). «Red Micro Wire инкапсулирует соединение проводов в стекле». EE Times. Сан-Франциско: UBM plc. ISSN  0192-1541. OCLC  56085045. В архиве из оригинала 20 марта 2014 г.. Получено 20 марта, 2014.
  4. ^ «Уведомление об изменении продукта - CYER-27BVXY633». microchip.com. 29 августа 2013 года. В архиве из оригинала 20 марта 2014 г.. Получено 20 марта, 2014.
  5. ^ а б Чаухан, Прити; Чубей, Анупам; Чжун, ЧжаоВэй; Печт, Майкл (2014). Склеивание медной проволоки (PDF). Нью-Йорк: Springer. ISBN  978-1-4614-5760-2. OCLC  864498662.
  6. ^ "Каталог соединительных проводов Heraeus для полупроводниковой техники" (PDF). Heraeus. Heraeus.
  7. ^ а б c «Тонкая медная соединительная проволока: материалы для электрических соединений». ametek-ecp.com. 20 июня 2018 г.
  8. ^ Brökelmann, M .; Siepe, D .; Hunstig, M .; McKeown, M .; Офтебро, К. (26 октября 2015 г.), Соединение медной проволокой готово к промышленному массовому производству (PDF), получено 30 января, 2016
  9. ^ «Золотая соединительная проволока и лента: проволока для автоматических склеивающих устройств». ametek-ecp.com. 20 июня 2018 г.
  10. ^ «Алюминиевый соединительный провод и лента: кремниевый алюминиевый провод, алюминиевая лента». ametek-ecp.com. 20 июня 2018 г.
  11. ^ A.Coucoulas, "Compliant Bonding" Proceedings 1970 IEEE 20th Electronic Components Conference, стр. 380-89, 1970. http://commons.wikimedia.org/wiki/File:CompliantBondingPublic_1-10.pdf https://www.researchgate.net/publication/225284187_Compliant_Bonding_Alexander_Coucoulas_1970_Proceeding_Electronic_Components_Conference_Awarded_Best_Paper
  12. ^ Харман Г. Г. Сварка проводов в микроэлектронике: материалы, процессы, надежность и выход. Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2010.
  13. ^ С.К. Прасад, Усовершенствованная технология соединения проводов. Нью-Йорк: Спрингер, 2004.
  14. ^ Обеспечение пригодности ИС с медным соединением для автомобильных приложений
  15. ^ Хиллман, К. "Прогнозирование и предотвращение отказов присоединения матрицы, соединения проводов и пайки. »Международный симпозиум по интеграции и производству 3D-силовой электроники (3D-PEIM), 2016 г.
  16. ^ MIL-STD-883: Стандарт на метод испытаний для микросхем, Метод 2011.7 Прочность соединения (испытание на разрушающее растяжение соединения)
  17. ^ MIL-STD-883: Стандарт метода испытаний для микросхем, метод 2023.5 Неразрушающее натяжение соединения.
  18. ^ ASTM F459-13: Стандартные методы испытаний для измерения прочности на разрыв соединений микроэлектронных проводов
  19. ^ JESD22-B116: Метод испытания на сдвиг проволочного скрепления
  20. ^ Как проверить облигации: как протянуть проволоку? Апрель 2016 г.

Ресурсы