Шта је лепљива жица? Невиђени херој поузданости полупроводника

Као специјалиста за микро-машинску обраду и науку о материјалима, моји дани су испуњени дубоким техничким дискусијама са инжењерима попут Маркуса у Немачкој. Они су они на првим линијама, померајући границе онога што је могуће у производњи полупроводника и енергетске електронике. Тема која се појављује са изненађујућом учесталошћу је скромност везивна жица. Овај мали прамен од метал, често тањи од људске косе, често се занемарује, али је вероватно једна од најкритичнијих компоненти у било ком интегрисаном колу (ИЦ). Грешка у овом микроскопском међусобно повезивање може учинити сложен и скуп уређај бескорисним. Овај чланак није продајни предлог; то је дубоко урањање у науку о материјалима и инжењерство које иде у стварање високо-поузданост везивна жица. Истражићемо различите материјале, њихова јединствена својства и зашто је прави избор жице је од суштинског значаја за успех вашег коначног производа.

Која је основна сврха жице за везивање?

На свом најосновнијем нивоу, а везивна жица је веома фино, високо-чистоте жице користи за стварање електрични везе унутар а полупроводник уређај. Служи као флексибилни мост, преносећи снагу и сигнале између силицијума чип (ИЦ) и металне проводнике његовог заштитног паковања. Замислите то као нервни систем чипа. За разлику од коришћења лемљење, што укључује топљење и не може се обавити у тако финој скали без оштећења деликатног чипа, жице везивање је процес у чврстом стању. Специјализовани машина за везивање користи ултразвучни енергија, сила, а понекад и топлота да би се створио металуршки завар, или обвезница, на оба краја жице.

Овај мали међусобно повезивање мора бити невероватно робустан. Мора да издржи механички стрес, термичке циклусе и да носи електричну струју без деградације током животног века уређаја. Избор од жице материјал, његов пречник и његове специфичности својства материјала сви играју кључну улогу у стварању успешног и поузданог жице обвезница. Сваки појединац обвезница мора бити савршен.

Зашто су потребне различите врсте жице за везивање?

Не постоји решење „једна величина за све“ када је у питању везивна жица. Избор материјала је критична инжењерска одлука вођена специфичним захтевима апликације, укључујући цену, перформансе и дугорочне поузданост. Три основна материјала која се користе су злато (Ау), бакар (Цу), и алуминијум (Ал). Сваки од њих има посебан скуп особина које га чине погодним за различите врсте везивања и различите крајње производе.

Инжењер мора узети у обзир неколико фактора:

• Процес везивања: Да ли је то велика брзина лопта веза процес или прецизност клинаста веза? Злато и бакар су идеални за лопта везаинг, док алуминијум је стандард за ултразвук клин везивање.
• Захтеви за перформансе: Да ли уређај ради на високим фреквенцијама или носи велике струје? Бакар има супериоран електрична проводљивост, али златна жица нуди одличну отпорност на корозију.
• Ограничења трошкова: Везивање златне жице је зрео, али скуп процес. Бакарна жица пружа јефтинију алтернативу са одличним перформансама, док алуминијумска жица такође је веома исплатив.
• Дугорочна поузданост: Како ће жице интеракцију са бонд пад металургија током времена и на радној температури? Спречавање кртог интерметалног формирања је кључна брига.

Како је златна жица конструисана за брзо лепљење куглица?

Златна жица је оригиналан и најсхваћенији везивна жица. Иако изгледа једноставно, чисто злато који се користи у овој апликацији је заправо високо конструисан материјал. Жица за везивање злата скоро никада није 99,99% чист злато. Намерно је "допиран" малим, контролисаним количинама других елемената како би фино подесио своје особине за захтевне процес везивања лопте.

Ови додаци, који могу укључивати елементе као што су берилијум (Буди) или паладијум (Пд), додају се из неколико разлога. Они помажу у контроли структуре зрна метал како се учвршћује након стварања слободна ваздушна лопта. Стабилна, конзистентна структура зрна је кључна за формирање јаке и поновљиве обвезница. Допанти такође повећавају тврдоћу жице, што му помаже да подржи чишћење петља облик без савијања. Добро пројектован златна жица пружа савршену равнотежу мекоће за стварање обвезница и крутост за одржавање формирање петље. Способност формирања савршеног, сферног лопта је јединствено својство златна жица и централно је за процес везивања лопте.

Који су компромиси коришћења бакра као жице за везивање?

Бакарна жица је постала веома популарна алтернатива златна жица, првенствено вођен значајном уштедом трошкова. Из перспективе перформанси, бакар је одличан избор. Има око 40% више електрична проводљивост и знатно боље топлотна проводљивост него злато. То га чини идеалним за уређаје за напајање који треба да управљају великим струјама и расипају топлоту. Међутим, радећи са бакарна жица представља јединствен скуп изазова са којима инжењери морају да се изборе.

Највећи изазов је оксидација. Бакар лако формира ан оксид слој када је изложен ваздуху, посебно на повишеним температурама од термозвучни везивање. Ово оксид може ометати формирање добра обвезница. Да би ово превазишао, машине за спајање жице та употреба бакар мора радити у инертном окружењу, обично обавијеном гасовитим азотом. Штавише, бакар много је тврђи од злата. Ово значи више обвезница снаге и ултразвучни потребна је енергија, што повећава ризик од оштећења деликатног силицијум умрети испод бонд пад. Да би се ово ублажило, многе апликације сада користе бакар обложен паладијумом жице. Танак слој од паладијум штити бакар од оксидације и побољшава обвезница поузданост.

Када је алуминијумска жица врхунски избор за поузданост?

Док злато и бакар доминирају лопта веза тржиште, алуминијумска жица је краљ ултразвучно клинасто везивање. Ово посебно важи за енергетске полупроводнике, аутомобилску електронику и РФ модуле. Главни разлог за то је металуршка компатибилност. Тхе обвезница јастучићи на а полупроводник умри су скоро увек направљени од алуминијум. Када ти обвезница ан алуминијумска жица то ан алуминијум пад, креирате моно-метални систем. Ово је инхерентно стабилније и поузданије током времена, посебно на високим температурама.

Када је а златна жица је везан за ан алуминијум подлога, процес у чврстом стању дифузију почиње, формирајући злато-алуминијум интерметална једињења на интерфејсу. Нека од ових једињења су крхка и могу довести до обвезница кварови током животног века производа, феномен познат као „љубичаста куга“. Коришћењем алуминијумска жица, овај главни механизам квара је потпуно избегнут. За апликације које захтевају највиши ниво дуготрајности поузданост, тежак пречника Чиста алуминијумска жица повезан преко робусног клинаста веза је златни стандард. Ово је врста жице видимо да се најчешће користи у захтевним аутомобилским и индустријским апликацијама.

Како механичка својства попут издужења и затезне чврстоће утичу на везу жице?

Када инжењер прими а калем оф везивна жица, тхе спецификација лист ће навести механичка својства као што су затегнути снагу и издужење. Ово нису само бројеви; они су критични показатељи како жице понашаће се великом брзином машина за везивање.

• Затезна чврстоћа (или оптерећење при ломљењу): Ово мери силу потребну да се разбије жице. А жице мора бити довољно јак да издржи напрезања везивање процес, укључујући и последњу "сузу" после друге обвезница у а клинаста веза процес. Међутим, а жице то је превише јако може бити тешко обвезница и може захтевати прекомерну силу.
• Издужење: Ово мери колико је жице може да се растегне пре него што се сломи, изражено у процентима. Ово је вероватно критичнији параметар. А жице са добрим издужење је савитљивији и попустљивији током обвезница формирање. Такође је неопходно за стварање конзистентних, стабилних петљи. А жице са ниским издужење је крхка и може довести до пукотина на пети обвезница, док а жице са претерано високим издужење може бити превише мекан, што доводи до петља савијање или љуљање жице. Тхе издужење се пажљиво контролише током жице процес производње кроз комбинацију цртања и жаритиинг корака.

Шта "допирање" жице за везивање заправо чини да побољша њене перформансе?

„Допинг“ је процес додавања веома малих, високо контролисаних количина других елемената у примарни метал да побољша своје особине. Говоримо о нивоима делова на милион (ппм). Ово није само једноставно легура; то је прецизна наука. Сврха ових додатака је да манипулишу металуршком структуром жице.

На пример, у златна жица, додаци помажу да се побољша структура зрна. У свом чистом облику, метал има крупна, мека зрна. Додавање додатака ствара места нуклеације, што доводи до финије, уједначеније структуре зрна. Ово чини жице јачи и, што је још важније, обезбеђује да се топлота-захваћена зона изнад лопта после формирање лопте је јак и стабилан. Ово спречава заједничку дефект познато као „пропадање зоне под утицајем топлоте (ХАЗ)“, што може изазвати жице на кратко уз ивицу матрице. Слично томе, у алуминијумска жица, додајући 1% силицијум значајно јача жице и спречава да буде превише мекан, што је критично за ултразвучно клинасто везивање. Одлука да се допе a жице је увек равнотежа за постизање жељеног механичког својства жице.

Како осигуравате квалитет и поузданост калема жице за везивање?

За инжењера као што је Маркус, доследност је све. Процес који савршено функционише са једним калем оф жице мора да функционише једнако добро са следећим. Контрола квалитета за везивна жица је стога невероватно строг. Почиње од сировине, која мора бити највише чистоте (нпр. 99,99% или "4Н" чистоћа).

Кроз цео цртеж и жаритиинг процес, тхе пречник жице морају се држати у оквиру невероватно строгих толеранција. Чак и мала варијација може утицати на параметри везивања и доводе до недоследних резултата. Финале жице се затим подвргава низу тестова према стандардима као што су АСТМ метода испитивања Ф72. Ово укључује мерење његовог преломног оптерећења и издужење. Тхе површине оф тхе жице такође морају бити нетакнути, без било какве контаминације или огреботина које би могле да ометају обвезница. Коначно, жице је намотана на посебно дизајнирану калем под контролисаном напетошћу како би се спречила било каква механичка оштећења. Правилно складиштење и руковање су такође критични, као и поштовање препоручених рок трајања. Тхе квалитет везе је директан одраз квалитета жице.

Који су уобичајени начини квара у вези са самом жицом за везивање?

Када је а жице обвезница не успева, жице сама по себи може бити основни узрок. Разумевање ових грешака је кључно за решавање проблема у процесу.

• Вире Саг/Сваи: Тхе жице петља деформише и додирује суседни жице или ивица матрице, што узрокује кратак спој. Ово је често због жице бити превише мекан (неприкладан легура или жаритиинг).
• Хеел Црацкинг: На дну се формира пукотина клин обвезница. Ово може бити узроковано а жице која је превише крта (ниска издужење) или прекомерном деформацијом током обвезница.
• Бонд Лифт: Тхе обвезница не успева да се држи. Иако је често проблем са параметрима, може бити узрокован контаминацијом на жице површине.
• Поломљена жица у ХАЗ-у: У а лопта веза, тхе жице ломи непосредно изнад лопта. Ово указује на неправилно контролисану структуру зрна у жицезона погођена топлотом.

Ова питања наглашавају зашто постоји дубоко партнерство између произвођача уређаја и жице добављач је толико важан. Често, решавање комплекса везивање проблем захтева сарадничку анализу оба везивање процес и жице'с материјална наука. Често помажемо нашим клијентима који користе наше аутоматске жичане везице да дијагностикује и решава управо ова питања.

Како прави избор жице повећава дугорочну поузданост уређаја?

Избор од везивна жица има дубок утицај на дугорочну поузданост оф ан интегрисано коло. Иницијал обвезница квалитет је само почетак приче. Тхе жице и њен обвезница мора да преживи године рада у често тешким условима. Исправан избор материјала је кључно за спречавање кварова који се јављају тек након хиљада сати термичког циклуса.

Као што је поменуто, коришћење алуминијумска жица на алуминијум јастучићи елиминишу ризик од кртог злата-алуминијум интерметали. За бакарна жица, користећи а паладијум премаз може спречити оксидацију и обезбедити стабилност обвезница. Тхе тренутна носивост оф тхе жице такође се мора узети у обзир. Коришћењем а жице са недовољним пречник жице јер ће струја коју треба да носи проузроковати њено прегревање, убрзавајући старење и потенцијално довести до неуспеха. Термичко ширење коефицијент оф тхе жице у односу на остале материјале паковања је још један фактор који мора бити узети у обзир. Право везивна жица није само компонента; то је темељни елемент дизајнираног уређаја поузданост.