Ligação de fios -Wire bonding

Fio de ouro esférico colado em uma matriz de silício
Fios de alumínio unidos por cunha a uma matriz de transistor BC160
Processo de ligação de fio do chip ao PCBA
As interconexões em um pacote de energia são feitas usando fios de alumínio grossos (250 a 400 μm) soldados por cunha
Dentro de um pacote BGA ligado por fio ; este pacote tem uma GPU Nvidia GeForce 256

A ligação de fios é o método de fazer interconexões entre um circuito integrado (IC) ou outro dispositivo semicondutor e sua embalagem durante a fabricação do dispositivo semicondutor . Embora menos comum, a ligação por fio pode ser usada para conectar um IC a outros componentes eletrônicos ou para conectar uma placa de circuito impresso (PCB) a outra. A ligação por fio é geralmente considerada a tecnologia de interconexão mais econômica e flexível e é usada para montar a grande maioria dos pacotes de semicondutores. A ligação de fios pode ser usada em frequências acima de 100 GHz.

Materiais

Bondwires geralmente consistem em um dos seguintes materiais:

Os diâmetros dos fios começam abaixo de 10 μm e podem chegar a várias centenas de micrômetros para aplicações de alta potência.

A indústria de colagem de fios está em transição do ouro para o cobre. Essa mudança foi instigada pelo custo crescente do ouro e pelo custo comparativamente estável e muito mais baixo do cobre. Embora possua maior condutividade térmica e elétrica do que o ouro, o cobre já havia sido visto como menos confiável devido à sua dureza e suscetibilidade à corrosão. Até 2015, espera-se que mais de um terço de todas as máquinas de colagem de fios em uso sejam configuradas para cobre.

O fio de cobre tornou-se um dos materiais preferidos para interconexões de fios em muitas aplicações de semicondutores e microeletrônicos. O cobre é usado para ligação de esferas de arame fino em tamanhos de 10 micrômetros (0,00039 pol) até 75 micrômetros (0,003 pol). O fio de cobre tem a capacidade de ser usado em diâmetros menores, proporcionando o mesmo desempenho do ouro sem o alto custo do material.

O fio de cobre de até 500 micrômetros (0,02 pol.) pode ser soldado por cunha com sucesso . O fio de cobre de grande diâmetro pode e substitui o fio de alumínio onde é necessária uma alta capacidade de carga de corrente ou onde há problemas com geometria complexa. As etapas de recozimento e processo usadas pelos fabricantes aprimoram a capacidade de usar fio de cobre de grande diâmetro para unir a união ao silício sem que ocorram danos à matriz.

O fio de cobre apresenta alguns desafios, pois é mais duro que o ouro e o alumínio, portanto, os parâmetros de ligação devem ser mantidos sob controle rígido. A formação de óxidos é inerente a este material, portanto o armazenamento e o prazo de validade são questões que devem ser consideradas. É necessária uma embalagem especial para proteger o fio de cobre e obter uma vida útil mais longa. O fio de cobre revestido com paládio é uma alternativa comum que mostrou resistência significativa à corrosão, embora com uma dureza maior que o cobre puro e um preço maior, embora ainda menor que o ouro. Durante a fabricação de ligações de arame, o fio de cobre, bem como suas variedades revestidas, devem ser trabalhados na presença de gás formador [95% de nitrogênio e 5% de hidrogênio] ou um gás anóxico semelhante para evitar a corrosão. Um método para lidar com a dureza relativa do cobre é o uso de variedades de alta pureza [5N+].

Efeitos de corrosão de longo prazo (Cu2Si) e outros tópicos de estabilidade levaram a requisitos de qualidade aumentados quando usados ​​em aplicações automotivas

Pacote de LED de montagem em superfície vermelho, verde e azul com detalhes de ligação de fio dourado .

Fio de ouro puro dopado com quantidades controladas de berílio e outros elementos é normalmente usado para colagem de esferas . Este processo reúne os dois materiais que devem ser ligados usando calor, pressão e energia ultrassônica conhecida como ligação termossônica. A abordagem mais comum na ligação termossônica é a ligação de bola ao chip e, em seguida, a ligação de costura ao substrato . Controles muito rígidos durante o processamento aprimoram as características de loop e eliminam a flacidez.

O tamanho da junção, a força de ligação e os requisitos de condutividade geralmente determinam o tamanho de fio mais adequado para uma aplicação específica de ligação de fio. Os fabricantes típicos fazem fio de ouro com diâmetros de 8 micrômetros (0,00031 pol.) E maiores. A tolerância de produção no diâmetro do fio de ouro é de +/-3%.

Fios de liga de alumínio são geralmente preferidos ao fio de alumínio puro, exceto em dispositivos de alta corrente, devido à maior facilidade de trefilação para tamanhos finos e maior resistência ao teste de tração em dispositivos acabados. Alumínio puro e 0,5% de magnésio-alumínio são mais comumente usados ​​em tamanhos maiores que 100 micrômetros (0,0039 pol.).

Os sistemas totalmente em alumínio na fabricação de semicondutores eliminam a " praga púrpura " (composto intermetálico quebradiço de ouro-alumínio) às vezes associado ao fio de ouro puro. O alumínio é particularmente adequado para colagem termossônica .

Para garantir a obtenção de ligações de alta qualidade em altas velocidades de produção, são utilizados controles especiais na fabricação do fio de silício-alumínio a 1%. Uma das características mais importantes do fio de ligação de alta qualidade deste tipo é a homogeneidade do sistema de liga. A homogeneidade recebe atenção especial durante o processo de fabricação. Verificações microscópicas da estrutura da liga de lotes acabados de fio de silício-alumínio a 1% são realizadas rotineiramente. O processamento também é realizado em condições que proporcionam o máximo em limpeza de superfície e acabamento liso e permitem o desbobinamento totalmente sem empecilhos.

Técnicas de anexação

Demonstração da união de cunha ultrassônica de um fio de alumínio entre eletrodos de ouro em uma placa de circuito impresso e eletrodos de ouro em um substrato de safira, ordem de ligação inversa.

As principais classes de ligação de arame:

A colagem de esferas geralmente é restrita a fios de ouro e cobre e geralmente requer calor. Para colagem de cunha, apenas fio de ouro requer calor. A ligação de cunha pode usar fios de grande diâmetro ou fitas de fio para aplicação em eletrônica de potência. A ligação de esferas é limitada a fios de diâmetro pequeno, adequados para aplicação de interconexão.

Em qualquer tipo de ligação de fio, o fio é preso em ambas as extremidades usando uma combinação de pressão descendente, energia ultrassônica e, em alguns casos, calor, para fazer uma solda . O calor é usado para tornar o metal mais macio. A combinação correta de temperatura e energia ultrassônica é usada para maximizar a confiabilidade e a resistência de uma ligação de arame. Se calor e energia ultrassônica forem usados, o processo é chamado de ligação termossônica.

Na colagem em cunha, o fio deve ser traçado em linha reta de acordo com a primeira colagem. Isso retarda o processo devido ao tempo necessário para o alinhamento da ferramenta. A colagem de esferas, no entanto, cria sua primeira colagem em forma de bola com o fio saindo no topo, sem preferência direcional. Assim, o fio pode ser estirado em qualquer direção, tornando o processo mais rápido.

A colagem complacente transmite calor e pressão através de uma fita de alumínio complacente ou indentável e, portanto, é aplicável na colagem de fios de ouro e condutores de feixe que foram eletroformados no circuito integrado de silício (conhecido como circuito integrado de condutores de feixe).

Desafios de fabricação e confiabilidade

Existem vários desafios quando se trata de fabricação e confiabilidade de títulos de arame. Esses desafios tendem a ser uma função de vários parâmetros, como sistemas de materiais, parâmetros de ligação e ambiente de uso. Diferentes sistemas metálicos de almofada de ligação de fio , como Alumínio -Alumínio (Al-Al), Ouro -Alumínio (Au-Al) e Cobre -Alumínio (Cu-Al), requerem parâmetros de fabricação diferentes e se comportam de maneira diferente nos mesmos ambientes de uso.

Fabricação de fios

Muito trabalho foi feito para caracterizar vários sistemas de metal, revisar parâmetros críticos de fabricação e identificar problemas típicos de confiabilidade que ocorrem na ligação de fios. Quando se trata de seleção de materiais, o ambiente de aplicação e uso ditará o sistema de metal. Freqüentemente, as propriedades elétricas, propriedades mecânicas e custos são levados em consideração ao tomar uma decisão. Por exemplo, um dispositivo de alta corrente para uma aplicação espacial pode exigir uma ligação de fio de alumínio de grande diâmetro em uma embalagem de cerâmica hermeticamente fechada. Se o custo for uma grande restrição, evitar títulos de fio de ouro pode ser uma necessidade. Alguns trabalhos recentes foram feitos para observar as ligações de fios de cobre em aplicações automotivas. Esta é apenas uma pequena amostra, pois há um vasto corpo de trabalho revisando e testando quais sistemas de materiais funcionam melhor em diferentes aplicações.

Do ponto de vista da fabricação, os parâmetros de ligação desempenham um papel crítico na formação e qualidade da ligação. Parâmetros como força de ligação, energia ultrassônica, temperatura e geometria do loop, para citar alguns, podem ter um efeito significativo na qualidade da ligação. Existem várias técnicas de colagem de fios ( ligação termossônica , colagem ultrassônica, colagem de termocompressão ) e tipos de colagem de arame ( ligação de esferas , colagem de cunha ) que afetam a suscetibilidade a defeitos de fabricação e problemas de confiabilidade. Certos materiais e diâmetros de fio são mais práticos para passo fino ou layouts complexos. A almofada de ligação também desempenha um papel importante, pois a metalização e a(s) camada(s) de barreira afetarão a formação da ligação.

Os modos de falha típicos que resultam de má qualidade de ligação e defeitos de fabricação incluem: fratura no pescoço da ligação esférica, rachaduras no calcanhar (ligações em cunha), descolamento da almofada, descascamento da almofada, supercompressão e formação intermetálica imprópria. Uma combinação de teste de tração/cisalhamento de ligação de arame, teste não destrutivo e análise física destrutiva (DPA) pode ser usada para rastrear problemas de fabricação e qualidade.

Confiabilidade da ligação do fio

Enquanto a fabricação de wirebond tende a se concentrar na qualidade de bond, muitas vezes não leva em conta os mecanismos de desgaste relacionados à confiabilidade de bond bond. Nesse caso, entender o aplicativo e o ambiente de uso pode ajudar a evitar problemas de confiabilidade. Exemplos comuns de ambientes que levam a falhas na ligação do fio incluem temperatura elevada, umidade e ciclos de temperatura.

Sob temperaturas elevadas, o crescimento excessivo de intermetálicos (IMC) pode criar pontos frágeis de fratura. Muito trabalho tem sido feito para caracterizar a formação intermetálica e o envelhecimento de vários sistemas metálicos. Isso não é um problema em sistemas de metal em que a ligação do fio e a almofada de ligação são do mesmo material, como Al-Al. Isso se torna uma preocupação em sistemas metálicos diferentes. Um dos exemplos mais conhecidos são os intermetálicos frágeis formados em IMCs de ouro-alumínio, como a peste púrpura . Além disso, problemas relacionados à difusão, como esvaziamento de Kirkendall e esvaziamento de Horsting, também podem levar a falhas na ligação do fio.

Em ambientes de temperatura e umidade elevados, a corrosão pode ser uma preocupação. Isso é mais comum em sistemas de metal Au-Al e é causado pela corrosão galvânica . A presença de haletos como o cloro pode acelerar esse comportamento. Essa corrosão Au-Al é frequentemente caracterizada pela lei de Peck para temperatura e umidade. Isso não é tão comum em outros sistemas de metal.

Sob ciclagem de temperatura, o estresse termomecânico é gerado na ligação do fio como resultado da incompatibilidade do coeficiente de expansão térmica (CTE) entre o composto de moldagem epóxi (EMC) , o leadframe , a matriz, o adesivo da matriz e a ligação do fio. Isso leva à fadiga de baixo ciclo devido a tensões de cisalhamento ou tração na ligação do fio. Vários modelos de fadiga têm sido usados ​​para prever a vida em fadiga de ligações de arame sob tais condições.

A compreensão adequada do ambiente de uso e dos sistemas de metal geralmente são os fatores mais importantes para aumentar a confiabilidade da ligação do fio.

teste

Embora existam algumas técnicas de teste de tração e cisalhamento de ligação de arame, elas tendem a ser aplicáveis ​​​​para qualidade de fabricação e não para confiabilidade. Muitas vezes, são técnicas monotônicas de sobretensão, onde a força de pico e a localização da fratura são as saídas críticas. Neste caso, o dano é dominado pela plasticidade e não reflete alguns mecanismos de desgaste que podem ser vistos em condições ambientais.

O teste de tração do fio aplica uma força ascendente sob o fio, afastando-o efetivamente do substrato ou da matriz. O objetivo do teste é como MIL-STD-883 2011.9 o descreve: "Para medir a resistência da união, avaliar as distribuições da resistência da união ou determinar a conformidade com os requisitos de resistência da adesão especificados". Um fio pode ser puxado para a destruição, mas também existem variantes não destrutivas em que se testa se o fio pode suportar uma certa força. Os métodos de teste não destrutivos são normalmente usados ​​para testar 100% de produtos críticos de segurança, de alta qualidade e de alto custo, evitando danos às ligações com fio aceitáveis ​​testadas.

O termo puxar fio geralmente se refere ao ato de puxar um fio com um gancho montado em um sensor de tração em um testador de ligação . No entanto, para promover certos modos de falha, os fios podem ser cortados e puxados por pinças, também montadas em um sensor de tração em um testador de ligação. Normalmente, fios de até 75 μm de diâmetro (3 mil) são classificados como fios finos. Além desse tamanho, falamos sobre testes de fios grossos.

Veja também

Referências

Recursos