Čo je to Bonding Wire? Neviditeľný hrdina spoľahlivosti polovodičov

Ako špecialista na mikroobrábanie a vedu o materiáloch sú moje dni plné hlbokých technických diskusií s inžiniermi, ako je Marcus v Nemecku. Práve oni sú v prvej línii a posúvajú hranice toho, čo je možné vo výrobe polovodičov a výkonovej elektroniky. Témou, ktorá prichádza s prekvapivou frekvenciou, je pokora lepkavý drôt. Tento malý prameň kov, ktorý je často tenší ako ľudský vlas, je často prehliadaný, ale je pravdepodobne jedným z najdôležitejších komponentov v akomkoľvek integrovanom obvode (IC). Zlyhanie v tomto mikroskopu prepojiť môže spôsobiť, že zložité a drahé zariadenie bude zbytočné. Tento článok nie je prezentáciou predaja; je to hlboký ponor do materiálovej vedy a inžinierstva, ktorý vedie k vytváraniu vysoko-spoľahlivosť lepkavý drôt. Preskúmame rôzne materiály, ich jedinečné vlastnosti a prečo práve ten správny výber drôt je základom úspechu vášho konečného produktu.

Aký je základný účel spojovacieho drôtu?

Na svojej najzákladnejšej úrovni a lepkavý drôt je veľmi dobrý, vysokýčistota drôt použité na vytvorenie elektrický spojenia vo vnútri a polovodič zariadení. Slúži ako flexibilný mostík, prenášajúci energiu a signály medzi kremíkom triesok (IC) a kovové vodiče jeho ochranného obalu. Predstavte si to ako nervový systém čipu. Na rozdiel od používania spájkovač, ktorá zahŕňa tavenie a nedá sa urobiť v tak jemnom meradle bez poškodenia jemného čipu, drôt spájanie je proces v tuhom stave. Špecializovaný lepiaci stroj používa ultrazvukový energie, sily, niekedy aj tepla na vytvorenie metalurgického zvaru, príp väzba, na oboch koncoch drôt.

Tento maličký prepojenie musí byť neuveriteľne robustný. Musí vydržať mechanické namáhanie, tepelné cykly a prenášať elektrický prúd bez toho, aby sa počas životnosti zariadenia zhoršoval. Výber z drôt materiál, jeho priemer a jeho špecifiká vlastnosti materiálu všetky zohrávajú kľúčovú úlohu pri vytváraní úspešného a spoľahlivého drôt väzba. Každý väzba Musí byť dokonalý.

Prečo sú potrebné rôzne typy spojovacích drôtov?

Pokiaľ ide o otázku, neexistuje žiadne „jednoznačné“ riešenie lepkavý drôt. Výber materiálu je kritickým inžinierskym rozhodnutím riadeným špecifickými požiadavkami aplikácie, vrátane nákladov, výkonu a dlhodobého hľadiska spoľahlivosť. Tri primárne použité materiály sú zlato (Au), meď (Cu) a hliník (Al). Každý z nich má odlišný súbor vlastností, vďaka ktorým je vhodný pre rôzne typy lepenia a rôzne konečné produkty.

Inžinier musí zvážiť niekoľko faktorov:

• Proces lepenia: Je to vysoká rýchlosť loptička proces alebo presnosť klin? Zlato a meď sú ideálne pre loptičkaing, zatiaľ čo hliník je štandard pre ultrazvuk klin spájanie.
• Požiadavky na výkon: Pracuje zariadenie pri vysokých frekvenciách alebo prenáša vysoké prúdy? Meď má nadradený elektrická vodivosť, ale zlatý drôt ponúka vynikajúcu odolnosť proti korózii.
• Obmedzenia nákladov: Spájanie zlatým drôtom je zrelý, ale nákladný proces. Medený drôt poskytuje lacnejšiu alternatívu s vynikajúcim výkonom, pričom hliníkový drôt je tiež veľmi nákladovo efektívny.
• Dlhodobá spoľahlivosť: Ako bude drôt interagovať s podložka metalurgia v čase a pri prevádzkovej teplote? Kľúčovým záujmom je zabrániť krehkej intermetalickej tvorbe.

Ako je vyrobený zlatý drôt na vysokorýchlostné spájanie guľôčok?

Zlatý drôt je originálny a najrozumnejší lepkavý drôt. Aj keď sa to zdá byť jednoduché, čisté zlato použitý v tejto aplikácii je v skutočnosti vysoko spracovaný materiál. Zlatý spojovací drôt takmer nikdy nemá čistotu 99,99 %. zlato. Je zámerne „dopovaný“ drobnými, kontrolovanými množstvami iných prvkov, aby sa doladili jeho vlastnosti pre náročných proces spájania guľôčok.

Tieto prísady, ktoré môžu obsahovať prvky ako berýlium (Byť) alebo paládium (Pd), sa pridávajú z niekoľkých dôvodov. Pomáhajú kontrolovať štruktúru zŕn kov ako stuhne po vytvorení letecká guľa. Stabilná, konzistentná štruktúra zŕn je rozhodujúca pre vytvorenie silného a opakovateľného materiálu väzba. Prísady tiež zvyšujú tvrdosť drôt, čo jej pomáha podporovať čistenie slučka tvar bez ochabnutia. Dobre skonštruovaný zlatý drôt poskytuje dokonalú rovnováhu mäkkosti pre vytvorenie väzba a tuhosť na udržanie tvorba slučky. Schopnosť vytvárať dokonalé, sférické loptu je jedinečnou vlastnosťou zlatý drôt a je ústredným prvkom proces spájania guľôčok.

Aké sú kompromisy používania medi ako spojovacieho drôtu?

Medený drôt sa stala veľmi populárnou alternatívou k zlatý drôt, predovšetkým vďaka značným úsporám nákladov. Z hľadiska výkonu, meď je výbornou voľbou. Má asi o 40% vyššiu elektrická vodivosť a výrazne lepšie tepelná vodivosť než zlato. Vďaka tomu je ideálny pre napájacie zariadenia, ktoré potrebujú zvládať vysoké prúdy a odvádzať teplo. Avšak, práca s medený drôt Predstavuje jedinečný súbor výziev, ktoré musia inžinieri riadiť.

Najväčšou výzvou je oxidácia. Meď ľahko tvorí an oxid vrstva pri vystavení vzduchu, najmä pri zvýšených teplotách termosonický spájanie. Tak oxid môže zasahovať do tvorby dobra väzba. Aby ste to prekonali, drôty že použitie meď musia pracovať v inertnom prostredí, typicky zahalené v plynnom dusíku. ďalej meď je oveľa ťažšie ako zlato. To znamená vyššie väzba sily a ultrazvukový je potrebná energia, čo zvyšuje riziko poškodenia jemného kremík zomrieť pod podložka. Na zmiernenie tohto problému sa v súčasnosti používa veľa aplikácií meď potiahnutá paládiom drôt. Tenká vrstva paládium chráni meď pred oxidáciou a zlepšuje väzba spoľahlivosť.

Kedy je hliníkový drôt najlepšou voľbou pre spoľahlivosť?

Kým zlato a meď ovládnuť loptička trh, hliníkový drôt je kráľom ultrazvukové klinové lepenie. To platí najmä pre výkonové polovodiče, automobilovú elektroniku a RF moduly. Hlavným dôvodom je metalurgická kompatibilita. The väzba podložky na a polovodič die sú takmer vždy vyrobené z hliník. Keď vy väzba a hliníkový drôt na hliník podložkou, vytvoríte mono-metalický systém. To je vo svojej podstate stabilnejšie a spoľahlivejšie v priebehu času, najmä pri vysokých teplotách.

Keď a zlatý drôt je viazaný na an hliník podložka, proces tuhej fázy difúzia začína tvorba zlata -hliník intermetalické zlúčeniny na rozhraní. Niektoré z týchto zlúčenín sú krehké a môžu viesť k väzba zlyhania počas životnosti produktu, jav známy ako „fialový mor“. Používaním hliníkový drôtje úplne zabránené tomuto hlavnému poruchovému mechanizmu. Pre aplikácie vyžadujúce najvyššiu úroveň dlhodobej životnosti spoľahlivosť, ťažký priemer Hliníkový drôt pripojený cez robustný klin je zlatý štandard. Toto je typ drôtu používame najčastejšie v náročných automobilových a priemyselných aplikáciách.

Ako mechanické vlastnosti, ako je predĺženie a pevnosť v ťahu, ovplyvňujú spojenie drôtu?

Keď inžinier dostane a cievka z lepkavý drôt, špecifikácia liste budú uvedené mechanické vlastnosti ako ťahový silu a predĺženie. Nie sú to len čísla; sú kritickými ukazovateľmi toho, ako drôt sa bude správať pri vysokej rýchlosti lepiaci stroj.

• Pevnosť v ťahu (alebo zaťaženie pri pretrhnutí): Toto meria silu potrebnú na rozbitie drôt. A drôt musia byť dostatočne pevné, aby odolali namáhaniu spájanie proces, vrátane záverečného „roztrhnutia“ po druhom väzba v a klin proces. Avšak a drôt že je príliš silný môže byť ťažké väzba a môže vyžadovať nadmernú silu.
• Predĺženie: Toto meria, koľko drôt sa môže natiahnuť skôr, než sa zlomí, vyjadrené v percentách. Toto je pravdepodobne kritickejší parameter. A drôt s dobrým predĺženie je tvárnejšia a zhovievavejšia počas väzba formovanie. Je tiež nevyhnutný na vytváranie konzistentných a stabilných slučiek. A drôt s nízkou predĺženie je krehký a môže viesť k prasklinám na päte väzba, zatiaľ čo a drôt s nadmerne vysokým predĺženie môže byť príliš mäkký, čo vedie k slučka previsnuté alebo drôtené kývanie. The predĺženie je starostlivo kontrolovaná počas drôt výrobný proces kombináciou ťahania a žíhaniekroky.

Čo vlastne robí „doping“ spájacieho drôtu na zlepšenie jeho výkonu?

"Doping" je proces pridávania veľmi malých, vysoko kontrolovaných množstiev iných prvkov k primárnym prvkom kov na zlepšenie jeho vlastností. Hovoríme o úrovniach častíc na milión (ppm). Toto nie je len jednoduché zliať; je to presna veda. Účelom týchto prímesí je manipulovať s metalurgickou štruktúrou drôt.

Napríklad v zlatý drôt, prímesy pomáhajú zjemniť štruktúru zŕn. Vo svojej čistej forme, kov má veľké, mäkké zrná. Pridaním dopantov sa vytvárajú miesta nukleácie, čo vedie k jemnejšej a jednotnejšej štruktúre zŕn. Toto robí drôt silnejší a čo je dôležitejšie, zabezpečuje, že teplo-postihnutá zóna nad loptu po formovanie lopty je silný a stabilný. To zabraňuje spoločnému defekt známy ako „teplom ovplyvnená zóna (HAZ) pokles“, ktorý môže spôsobiť drôt skratovať proti okraju matrice. Podobne aj v hliníkový drôts pridaním 1 % kremík výrazne posilňuje drôt a zabraňuje tomu, aby bola príliš mäkká, čo je pre ňu rozhodujúce ultrazvukové klinové lepenie. Rozhodnutie o droga a drôt je vždy rovnováha na dosiahnutie požadovaného mechanického vlastnosti drôtu.

Ako zabezpečíte kvalitu a spoľahlivosť cievky viazacieho drôtu?

Pre inžiniera, akým je Marcus, je konzistencia všetkým. Proces, ktorý dokonale funguje s jedným cievka z drôt musí fungovať rovnako dobre s ďalším. Kontrola kvality pre lepkavý drôt je preto neuveriteľne prísny. Začína sa surovinou, ktorá musí byť z najvyššej kvality čistota (napr. 99,99 % alebo "4N" čistota).

V celom výkrese a žíhanieingový proces, priemer drôtu musia byť udržiavané v neuveriteľne prísnych toleranciách. Dokonca aj malá odchýlka môže ovplyvniť spájkové parametre a viesť k nekonzistentným výsledkom. Finále drôt sa potom podrobí sérii testov podľa noriem ako napr ASTM skúšobná metóda F72. To zahŕňa meranie jeho medzného zaťaženia a predĺženie. Ten povrch z drôt musí byť tiež neporušená, bez akejkoľvek kontaminácie alebo škrabancov, ktoré by mohli prekážať väzba. Nakoniec, drôt je navinutý na špeciálne navrhnutý cievka pod kontrolovaným ťahom, aby sa zabránilo akémukoľvek mechanickému poškodeniu. Rozhodujúce je aj správne skladovanie a manipulácia, ako aj dodržiavanie odporúčaní trvanlivosť. Ten kvalita dlhopisov je priamym odrazom kvality drôt.

Aké sú bežné poruchové režimy súvisiace so samotným spojovacím drôtom?

Keď a drôt väzba zlyhá, drôt sám o sebe môže byť hlavnou príčinou. Pochopenie týchto zlyhaní je kľúčom k odstraňovaniu problémov v procese.

• Drôt Sag/Sway: drôt slučka deformuje a dotýka sa susedného drôt alebo okraj matrice, čo spôsobí skrat. Toto je často spôsobené tým drôt byť príliš mäkký (nesprávne zliať alebo žíhanieing).
• Praskanie päty: Na spodnej časti sa vytvorí trhlina klin väzba. To môže byť spôsobené a drôt ktorý je príliš krehký (nízky predĺženie) alebo nadmernou deformáciou počas väzba.
• Bond Lift: väzba nedarí sa držať. Aj keď je to často problém s parametrami, môže to byť spôsobené kontamináciou drôt povrch.
• Prerušený drôt v HAZ: V a loptička, drôt zlomí tesne nad loptu. To poukazuje na nesprávne kontrolovanú štruktúru zŕn v drôttepelne ovplyvnená zóna.

Tieto problémy zdôrazňujú, prečo existuje hlboké partnerstvo medzi výrobcom zariadenia a spoločnosťou drôt dodávateľ je veľmi dôležitý. Často, riešenie komplexu spájanie problém si vyžaduje spoločnú analýzu oboch spájanie proces a drôtmateriálovej vedy. Často pomáhame našim klientom, ktorí využívajú naše automatické viazače drôtov diagnostikovať a riešiť práve tieto problémy.

Ako správny výber drôtu zvyšuje dlhodobú spoľahlivosť zariadenia?

Výber lepkavý drôt má hlboký vplyv z dlhodobého hľadiska spoľahlivosť z an integrovaný obvod. Počiatočné väzba kvalita je len začiatok príbehu. The drôt a jeho väzba musí prežiť roky prevádzky v často drsnom prostredí. Správne výber materiálu je rozhodujúca pre prevenciu porúch, ktoré sa objavia až po tisíckach hodín tepelných cyklov.

Ako už bolo spomenuté, pomocou hliníkový drôt na hliník vankúšiky eliminujú riziko krehkého zlatahliník intermetalické látky. Pre medený drôt, pomocou a paládium povlak môže zabrániť oxidácii a zabezpečiť stabilitu väzba. Ten prúdová zaťažiteľnosť z drôt treba tiež zvážiť. Pomocou a drôt s nedostatočným priemer drôtu pretože prúd, ktorý potrebuje niesť, spôsobí jeho prehriatie, zrýchlenie starnutia a potenciálne zlyhanie. Tepelná rozťažnosť koeficient z drôt vzhľadom na zvyšok obalových materiálov je ďalším faktorom, ktorý musí byť vziať do úvahy. Pravý lepkavý drôt nie je len komponent; je to základný prvok navrhnutého zariadenia spoľahlivosť.