Склеивание проводов

Проволочное соединение - это метод создания межсоединений между интегральной схемой (ИС) или другим полупроводниковым устройством и его корпусом во время изготовления полупроводникового устройства . Хотя это и менее распространено, соединение проводов можно использовать для соединения ИС с другой электроникой или для соединения одной печатной платы (PCB) с 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]

Золотая проволока, прикрепленная шариком к золотой контактной площадке
Алюминиевые провода клина-стружечных к KSY34 транзистора фильеру
Германиевый диод AAZ15, соединенный золотой проволокой
Межсоединения в силовом блоке выполняются с использованием толстых (от 250 до 400 мкм) клиновых алюминиевых проводов.
Внутри корпуса BGA с проводным соединением ; в этом пакете есть графический процессор Nvidia GeForce 256

Бондвиры обычно состоят из одного из следующих материалов:

Диаметр проволоки начинается с 15 мкм и может достигать нескольких сотен микрометров для приложений с большой мощностью.

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 твердости и подверженности коррозии. К 2015 году ожидается, что более трети всех используемых машин для сварки проводов будет настроено на медь. [5]

Медная проволока стала одним из предпочтительных материалов для межсоединений проводов во многих полупроводниковых и микроэлектронных приложениях. Медь используется для соединения шариков из тонкой проволоки размером от 0,0004 дюйма (10 микрометров) до 0,004 дюйма (100 микрометров). [6] Медная проволока может использоваться на меньших диаметрах, обеспечивая те же характеристики, что и золото, без высокой стоимости материала. [7]

Медная проволока толщиной до 0,020 дюйма (500 микрометров) [8] может быть успешно скреплена клиньями . 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 клинового соединения 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. Для защиты медной проволоки и увеличения срока хранения требуется специальная упаковка. [7] Медная проволока с палладиевым покрытием является распространенной альтернативой, которая показала значительную стойкость к коррозии, хотя и имеет более высокую твердость, чем чистая медь, и более высокую цену, хотя и ниже, 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. Метод борьбы с относительной твердостью меди заключается в использовании разновидностей высокой чистоты [5N +]. [5]

Красный, зеленый, синий светодиодный корпус для поверхностного монтажа с деталями соединения золотой проволокой.

Для соединения шариков обычно используется проволока из чистого золота, легированная контролируемым количеством бериллия и других элементов . Этот процесс объединяет два материала, которые должны быть соединены с использованием тепла, давления и ультразвуковой энергии, что называется термозвуковым соединением. Наиболее распространенный подход в термозвуковой склейке - это соединение шариком с чипом, а затем соединение с подложкой . 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 на диаметр золотой проволоки +/- 3%. [9]

Проволока из легированного алюминия обычно предпочтительнее чистой алюминиевой проволоки, за исключением сильноточных устройств, из-за большей легкости вытягивания до мелких размеров и более высокой прочности готовых устройств при испытании на разрыв. Чистый алюминий и 0,5% магний-алюминий чаще всего используются в размерах более 0,004 дюйма (101 микрометр).

Полностью алюминиевые системы в производстве полупроводников устраняют « пурпурную чуму » (хрупкое интерметаллическое соединение золота и алюминия), иногда связанную с соединительной проволокой из чистого золота. Алюминий особенно подходит для термозвукового склеивания .

Чтобы гарантировать, что высококачественные соединения могут быть получены при высоких производственных скоростях, при производстве проволоки с 1% кремний-алюминий используются специальные меры контроля . Одной из важнейших характеристик высококачественной сварочной проволоки этого типа является однородность системы сплавов. 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]

"> Воспроизвести медиа
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:

  • Склеивание шаров
  • Клиновое соединение
  • Податливое склеивание

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

При любом типе проволочного соединения проволока прикрепляется к обоим концам с использованием комбинации направленного вниз давления, ультразвуковой энергии и, в некоторых случаях, тепла для создания сварного шва . Тепло используется для того, чтобы металл стал мягче. 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 провод следует протягивать по прямой линии в соответствии с первым соединением. Это замедляет процесс из-за времени, необходимого для центровки инструмента. Однако соединение шара создает первое соединение в форме шара с проволокой, торчащей вверху, не имея предпочтительного направления. Таким образом, проволоку можно протянуть в любом направлении, что ускоряет процесс.

Податливое соединение [11] передает тепло и давление через податливую 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).

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. Для различных металлических систем соединения проводов и контактных площадок, таких как алюминий- алюминий (Al-Al), золото- алюминий (Au-Al) и медь- алюминий (Cu-Al), требуются разные производственные параметры и они по-разному ведут себя в одних и тех же 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 проделана некоторая работа по изучению соединений медных проводов в автомобильной промышленности. [14] Это лишь небольшая выборка, поскольку существует 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 формировании 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 ( термозвуковое соединение , ультразвуковое соединение, термокомпрессионное соединение ) и типы соединений проводов ( соединение шариком , клиновое соединение ), 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, поскольку наложение металлизации и барьерного слоя (-ов) будет влиять на образование 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, неразрушающего контроля и разрушающего физического анализа (DPA) может использоваться для выявления производственных проблем и проблем с качеством.

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. Распространенные примеры условий окружающей среды, которые приводят к нарушениям соединения проводов, включают повышенную температуру, влажность и циклическое изменение температуры. [15]

При повышенных температурах чрезмерный рост интерметаллидов (IMC) может создавать хрупкие точки разрушения. Была проделана большая работа 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 вызывает беспокойство в системах из разнородных металлов. Один из наиболее известных примеров - хрупкие интерметаллиды, образующиеся в золото-алюминиевых ИМС, таких как пурпурная чума . Кроме того, проблемы, связанные с диффузией, такие как пустоты по Киркендаллу и по Хорстингу, также могут привести к сбоям в проводных соединениях.

В условиях повышенной температуры и влажности может возникнуть проблема коррозии . Это наиболее распространено в металлических системах Au-Al и вызвано гальванической коррозией . Присутствие галогенидов, таких как хлор, может ускорить это поведение. Эта Au-Al коррозия часто характеризуется законом Пека для температуры и влажности. Это не так часто встречается в других металлических системах.

При циклическом изменении температуры в соединении проводов возникает термомеханическое напряжение в результате несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР) между эпоксидным формовочным компаундом (EMC) , рамкой выводов , штампом, клеем для штампа и соединением проводов. Это приводит к малоцикловой усталости из-за сдвиговых или растягивающих напряжений в проволочной связке. Для прогнозирования усталостной долговечности проволочных соединений в таких условиях использовались различные модели усталости .

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

Несмотря на то, что существуют некоторые методы испытаний на растяжение и сдвиг, [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 вытягивание проволоки прикладывается направленная вверх сила под проволокой, эффективно оттягивая ее от подложки или матрицы. [20] Цель теста такова, как его описывает стандарт MIL-STD-883 2011.9 : «Для измерения прочности сцепления, оценки распределения прочности сцепления или определения соответствия указанным требованиям к прочности сцепления». Проволоку можно натянуть до разрушения, но существуют 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 крючка, установленного на датчике натяжения на приборе для проверки связи . Однако, чтобы способствовать определенным режимам отказа, провода можно разрезать, а затем протянуть пинцетом, также установленным на датчике натяжения на приборе для проверки сцепления. Обычно проволока диаметром до 75 мкм (3 мил) классифицируется как тонкая проволока. За пределами этого размера мы говорим о тестировании толстой проволокой.

  • Пурпурная чума (интерметаллид)
  • Киркендалл эффект
  • Склеивание с мячом
  • Клиновое соединение
  • Термозвуковое соединение
  • Тест на снятие

  1. ^ В. Валента и др., «Проектирование и экспериментальная оценка компенсированных межсоединений bondwire выше 100 ГГц», Международный журнал СВЧ и беспроводных технологий, 2015 .
  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 . Архивировано 20 марта 2014 года . Проверено 20 марта 2014 года .
  4. ^ «Уведомление об изменении продукта - CYER-27BVXY633» . microchip.com . 29 августа 2013 года. Архивировано 20 марта 2014 года . Проверено 20 марта 2014 года .
  5. ^ а б Чаухан, Прити; Чубей, Анупам; Чжун, ЧжаоВэй; Печт, Майкл (2014). Склеивание медных проводов (PDF) . Нью-Йорк : Спрингер. ISBN 978-1-4614-5760-2. OCLC  864498662 .
  6. ^ "Каталог соединительных проводов Heraeus для полупроводниковой техники" (PDF) . Heraeus . Heraeus.
  7. ^ а б в «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, готовое к промышленному массовому производству (PDF) , получено 30 января 2016 г.
  9. ^ «Золотая связующая проволока и лента: проволока для автоматических скрепляющих устройств» . ametek-ecp.com . 20 июня 2018 г.
  10. ^ «Алюминиевая соединительная проволока и лента: силиконовая алюминиевая проволока, 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. ^ GG Harman, Проволочное соединение в микроэлектронике: материалы, процессы, надежность и выход. Нью-Йорк: Макгроу Хилл, 2010.
  13. ^ С. К. Прасад, Передовая технология межсоединений 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 паяных соединений ». Международный симпозиум по интеграции и производству 3D-силовой электроники (3D-PEIM), 2016 г.
  16. ^ MIL-STD-883: Стандарт метода испытаний для микросхем, Метод 2011.7 Прочность соединения (испытание на разрыв на разрыв 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 проводов микроэлектроники.
  19. ^ JESD22-B116: Метод испытания на сдвиг проволочного скрепления
  20. ^ Как проверить связи: Как протянуть проволоку? Апрель 2016 г.

  • Амкор Медь (Cu) Wirebonding
  • Соединение медных (Cu) проводов J-Devices
  • Амкор Сильвер (Ag) Wirebonding