Какво е свързваща тел? Невидимият герой на надеждността на полупроводниците

Като специалист по микромашини и наука за материалите, дните ми са изпълнени със задълбочени технически дискусии с инженери като Маркус в Германия. Те са на предната линия, разширявайки границите на възможното в производството на полупроводници и силова електроника. Тема, която се появява с изненадваща честота, е скромното свързващ проводник. Тази малка нишка от метал, често по-тънък от човешки косъм, често се пренебрегва, но може би е един от най-критичните компоненти във всяка интегрална схема (IC). Провал в този микроскопичен взаимосвързаност може да направи сложно и скъпо устройство безполезно. Тази статия не е търговско предложение; това е дълбоко гмуркане в науката за материалите и инженерството, което навлиза в създаването на високо-надеждност свързващ проводник. Ще проучим различните материали, техните уникални свойства и защо е правилният избор тел е от основно значение за успеха на вашия краен продукт.

Каква е основната цел на свързващата тел?

На най-основното си ниво, a свързващ проводник е много фин, високо-чистота тел използвани за създаване електрически връзки вътре в a Полупроводниково устройство. Той служи като гъвкав мост, пренасящ мощност и сигнали между силиция Чип (IC) и металните кабели на неговата защитна опаковка. Представете си го като нервната система на чипа. За разлика от използването спойка, което включва топене и не може да се направи в толкова фин мащаб, без да се повреди деликатният чип, тел свързване е процес в твърдо състояние. Специализирана машина за залепване използва ултразвуков енергия, сила и понякога топлина за създаване на металургична заварка, или облигация, в двата края на тел.

Този мъничък Връзка трябва да е невероятно здрав. То трябва да издържа на механични натоварвания, термични цикли и да пренася електрически ток, без да се влошава през целия живот на устройството. Изборът на тел материал, диаметъра му и спецификата му свойства на материала всички играят решаваща роля за създаването на успешен и надежден тел облигация. Всеки един облигация Трябва да е перфектно.

Защо са необходими различни видове свързваща тел?

Няма универсално решение, когато става въпрос за свързващ проводник. Изборът на материал е критично инженерно решение, водено от специфичните изисквания на приложението, включително цена, производителност и дългосрочно надеждност. Трите основни използвани материала са злато (Au), Мед (Cu) и алуминий (Al). Всеки има различен набор от свойства, които го правят подходящ за различни видове залепване и различни крайни продукти.

Инженерът трябва да вземе предвид няколко фактора:

• Процесът на свързване: Високоскоростен ли е топка връзка процес или прецизност клинова връзка? Злато и Мед са идеални за топка връзкаing, докато алуминий е стандартът за ултразвук клин свързване.
• Изисквания за изпълнение: Устройството работи ли на високи честоти или пренася ли големи токове? Мед има превъзходство Електрическа проводимост, но Златна тел предлага отлична устойчивост на корозия.
• Ограничения на разходите: Свързване със златна тел е зрял, но скъп процес. Медна тел осигурява евтина алтернатива с отлична производителност, докато алуминиева тел също е много рентабилен.
• Дългосрочна надеждност: Как ще тел взаимодействат с подложка за връзка металургия във времето и при работна температура? Предотвратяването на образуването на крехки интерметали е ключова грижа.

Как е проектирана златната тел за високоскоростно залепване на топки?

Златна тел е оригиналният и най-добре разбран свързващ проводник. Въпреки че изглежда ясно, чисто злато използван в това приложение всъщност е високотехнологичен материал. Златна свързваща тел почти никога не е 99,99% чист злато. Той е умишлено "допингиран" с малки, контролирани количества други елементи, за да се настроят фино свойствата му за взискателните процес на свързване на топката.

Тези добавки, които могат да включват елементи като берилий (Бъдете) или Паладий (Pd), се добавят по няколко причини. Те помагат да се контролира зърнената структура на метал тъй като се втвърдява след създаването на Безплатна въздушна топка. Стабилната, последователна зърнеста структура е от решаващо значение за формирането на здрава и повторяема облигация. Добавките също повишават твърдостта на тел, което му помага да поддържа чиста цикъл форма без увисване. Добре проектирана Златна тел осигурява перфектния баланс на мекота за създаване на облигация и твърдост за поддържане на образуване на примка. Способността да се образува перфектна, сферична топка е уникално свойство на Златна тел и е централна за процес на свързване на топката.

Какви са компромисите от използването на мед като свързващ проводник?

Медна тел се превърна в много популярна алтернатива на Златна тел, основно водени от значителните икономии на разходи. От гледна точка на ефективността, Мед е отличен избор. Той е с около 40% по-висок Електрическа проводимост и значително по-добре топлопроводимост отколкото злато. Това го прави идеален за захранващи устройства, които трябва да управляват високи токове и да разсейват топлината. Въпреки това, работата с Медна тел представя уникален набор от предизвикателства, които инженерите трябва да управляват.

Най-голямото предизвикателство е окисляването. Мед лесно образува an оксид слой при излагане на въздух, особено при повишени температури на термозвукови свързване. Това оксид може да попречи на формирането на благо облигация. За да преодолеете това, машини за свързване на тел които използват Мед трябва да работи в инертна среда, обикновено обвита в азотен газ. освен това Мед е много по-твърд от златото. Това означава по-високо облигация сили и ултразвуков енергия, което увеличава риска от увреждане на деликатните силиций умират под подложка за връзка. За да смекчат това, много приложения сега използват мед с паладий тел. Тънкият слой на Паладий защитава на Мед от окисляване и подобрява на облигация надеждност.

Кога алуминиевата тел е най-добрият избор за надеждност?

Докато злато и Мед доминират над топка връзка пазар, алуминиева тел е кралят на ултразвуково клиново залепване. Това важи особено за силовите полупроводници, автомобилната електроника и радиочестотните модули. Основната причина за това е металургичната съвместимост. The облигация подложки на a Полупроводниково матрицата почти винаги се прави от алуминий. Когато ти облигация ан алуминиева тел до алуминий подложка, създавате монометална система. Това по своята същност е по-стабилно и надеждно във времето, особено при високи температури.

Когато а Златна тел е свързан с an алуминий подложка, процес на твърдо състояние дифузия започва, образувайки злато-алуминий интерметални съединения на границата. Някои от тези съединения са крехки и могат да доведат до облигация повреди през целия живот на продукта, феномен, известен като "лилава чума". С помощта на алуминиева тел, този основен механизъм за повреда е напълно избегнат. За приложения, изискващи най-високо ниво на дълготрайност надеждност, тежък диаметър Чиста алуминиева тел свързан чрез здрав клинова връзка е златен стандарт. Това е тип тел виждаме, че се използва най-често в взискателни автомобилни и индустриални приложения.

Как механичните свойства като удължение и якост на опън влияят върху връзката на телта?

Когато инженерът получи a макара на свързващ проводник, на спецификация лист ще изброява механични свойства като опън сила и удължаване. Това не са просто числа; те са критични показатели за това как тел ще се държи с висока скорост машина за залепване.

• Якост на опън (или натоварване при скъсване): Това измерва силата, необходима за счупване на тел. А тел трябва да бъде достатъчно силен, за да издържи на напрежението на свързване процес, включително окончателното "разкъсване" след второто облигация в а клинова връзка процес. Въпреки това, а тел което е твърде силно, може да бъде трудно облигация и може да изисква прекомерна сила.
• Удължение: Това измерва колко тел може да се разтегне, преди да се счупи, изразено като процент. Това е може би по-критичният параметър. А тел с добро удължаване е по-гъвкав и прощаващ по време облигация образуване. Също така е от съществено значение за създаването на последователни, стабилни цикли. А тел с ниско удължаване е крехък и може да доведе до пукнатини в петата на облигация, докато a тел с прекалено високо удължаване може да бъде твърде мек, което води до цикъл увисване или люлеене на телта. The удължаване се контролира внимателно по време на тел производствен процес чрез комбинация от чертеж и отгрявамстъпки.

Какво всъщност прави "допингът" на свързваща жица, за да подобри нейната ефективност?

„Допинг“ е процес на добавяне на много малки, силно контролирани количества от други елементи към първичния метал за подобряване на свойствата му. Говорим за нива на части на милион (ppm). Това не е просто нещо сплав; това е точна наука. Целта на тези добавки е да манипулират металургичната структура на тел.

Например в Златна телдобавките спомагат за усъвършенстване на структурата на зърното. В чистата си форма, метал има големи, меки зърна. Добавянето на добавки създава места за нуклеация, което води до по-фина, по-равномерна зърнеста структура. Това прави тел по-силен и, което е по-важно, гарантира, че топлина-засегнатата зона над топка след образуване на топка е силен и стабилен. Това предотвратява общ дефект известен като „увисване в засегнатата от топлина зона (HAZ), което може да причини тел до късо срещу ръба на матрицата. По същия начин, в алуминиева тел, добавяйки 1% силиций значително укрепва на тел и го предпазва от прекалено меко, което е критично за ултразвуково клиново залепване. Решението да се дрога a тел винаги е баланс за постигане на желания механичен свойства на жицата.

Как гарантирате качеството и надеждността на макара със свързваща тел?

За инженер като Маркъс последователността е всичко. Процес, който работи перфектно с един макара на тел трябва да работи също толкова добре със следващия. Контролът на качеството за свързващ проводник следователно е невероятно строг. Започва се със суровината, която трябва да е от най-високо ниво чистота (напр. 99,99% или "4N" чистота).

В целия чертеж и отгрявамing процес, на диаметър на проводника трябва да се поддържат в невероятно строги допустими отклонения. Дори една малка вариация може да повлияе на параметри на свързване и водят до противоречиви резултати. Финалът тел след това се подлага на набор от тестове в съответствие със стандарти като ASTM метод на изпитване F72. Това включва измерване на неговото натоварване при скъсване и удължаване. The повърхност на тел също трябва да бъде девствен, без замърсяване или драскотини, които биха могли да попречат на облигация. И накрая, на тел се навива на специално проектирана макара под контролирано напрежение, за да се предотвратят всякакви механични повреди. Правилното съхранение и боравене също са от решаващо значение, както и спазването на препоръките срок на годност. The Качество на облигациите е пряко отражение на качеството на тел.

Какви са често срещаните режими на повреда, свързани със самия свързващ проводник?

Когато а тел облигация се проваля, на тел сама по себе си може да бъде първопричината. Разбирането на тези повреди е от ключово значение за отстраняването на проблеми в процеса.

• Wire Sag/Sway: The тел цикъл деформира и докосва съседен тел или ръба на матрицата, причинявайки късо съединение. Това често се дължи на тел твърде мек (неправилен сплав или отгрявамing).
• Пукане на петата: Образува се пукнатина в основата на клин облигация. Това може да бъде причинено от a тел което е твърде крехко (ниско удължаване) или чрез прекомерна деформация по време на облигация.
• Повдигане на облигации: The облигация не успява да се залепи. Въпреки че често е проблем с параметъра, той може да бъде причинен от замърсяване на тел повърхност.
• Скъсан проводник в HAZ: В a топка връзка, на тел прекъсва точно над топка. Това сочи към неправилно контролирана зърнена структура в телзасегната от топлината зона.

Тези проблеми подчертават защо съществува дълбоко партньорство между производителя на устройството и тел доставчикът е толкова важен. Често решаването на комплекс свързване проблемът изисква съвместен анализ на двете свързване процес и телматериалознание. Често помагаме на нашите клиенти, които използват нашия автоматични бондери за тел за диагностициране и решаване на същите тези проблеми.

Как правилният избор на кабел подобрява дългосрочната надеждност на устройството?

Изборът на свързващ проводник има дълбоко въздействие в дългосрочен план надеждност на ан Интегрална верига. Първоначалното облигация качеството е само началото на историята. The тел и неговото облигация трябва да оцелее години на работа в често тежки среди. Правилното Избор на материали е от решаващо значение за предотвратяване на повреди, които се появяват само след хиляди часове топлинен цикъл.

Както споменахме, използвайки алуминиева тел на алуминий подложките елиминират риска от чупливо злато-алуминий интерметали. За Медна тел, използвайки a Паладий покритието може да предотврати окисляването и да гарантира стабилността на облигация. The капацитет на ток на тел също трябва да се вземе предвид. Използвайки a тел с недостатъчен диаметър на проводника тъй като токът, който трябва да носи, ще доведе до прегряване, ускорявайки стареенето и потенциално водещо до повреда. Топлинното разширение коефициент на тел по отношение на останалите опаковъчни материали е друг фактор, който трябва да бъде взети под внимание. Правото свързващ проводник не е просто компонент; това е основен елемент от дизайна на устройството надеждност.