Соединение проводов -Wire bonding
Соединение проводов — это метод создания взаимосвязей между интегральной схемой (ИС) или другим полупроводниковым устройством и его упаковкой во время изготовления полупроводникового устройства . Хотя это встречается реже, проводное соединение может использоваться для подключения ИС к другой электронике или для соединения одной печатной платы (PCB) с другой. Соединение проводов обычно считается наиболее экономичной и гибкой технологией межсоединений и используется для сборки подавляющего большинства корпусов полупроводников. Проволочное соединение можно использовать на частотах выше 100 ГГц.
Материалы
Связующие провода обычно состоят из одного из следующих материалов:
Диаметр проволоки начинается от 10 мкм и может достигать нескольких сотен микрометров для мощных приложений.
Индустрия проволочных соединений переходит от золота к меди. Это изменение было вызвано ростом стоимости золота и относительно стабильной и гораздо более низкой стоимостью меди. Обладая более высокой тепло- и электропроводностью, чем золото, медь ранее считалась менее надежной из-за ее твердости и подверженности коррозии. Ожидается, что к 2015 году более трети всех используемых машин для соединения проводов будут настроены на медь.
Медная проволока стала одним из предпочтительных материалов для соединения проводов во многих полупроводниковых и микроэлектронных устройствах. Медь используется для соединения шариков из тонкой проволоки размером от 10 микрометров (0,00039 дюйма) до 75 микрометров (0,003 дюйма). Медная проволока может использоваться с меньшими диаметрами, обеспечивая те же характеристики, что и золотая, но без больших затрат на материал.
Медная проволока диаметром до 500 микрометров (0,02 дюйма) может быть успешно скреплена клином . Медная проволока большого диаметра может заменить алюминиевую проволоку там, где требуется высокая пропускная способность по току или есть проблемы со сложной геометрией. Отжиг и этапы обработки, используемые производителями, расширяют возможности использования медной проволоки большого диаметра для клинового соединения с кремнием без повреждения кристалла.
Медная проволока создает некоторые проблемы, поскольку она тверже золота и алюминия, поэтому параметры соединения должны находиться под строгим контролем. Этому материалу присуще образование оксидов, поэтому необходимо учитывать вопросы хранения и срока годности. Для защиты медной проволоки и обеспечения более длительного срока хранения требуется специальная упаковка. Медная проволока с палладиевым покрытием является распространенной альтернативой, которая показала значительную устойчивость к коррозии, хотя и при более высокой твердости, чем чистая медь, и более высокой цене, хотя все же ниже, чем у золота. При изготовлении проволочных соединений медная проволока, а также ее разновидности с покрытием должны работать в присутствии формовочного газа [95% азота и 5% водорода] или аналогичного бескислородного газа для предотвращения коррозии. Способом справиться с относительной твердостью меди является использование сортов высокой чистоты [5N+].
Эффекты долговременной коррозии (Cu2Si) и другие аспекты стабильности привели к повышенным требованиям к качеству при использовании в автомобильной промышленности.
Проволока из чистого золота , легированная контролируемым количеством бериллия и других элементов, обычно используется для соединения шариков . Этот процесс объединяет два материала, которые должны быть соединены с помощью тепла, давления и ультразвуковой энергии, называемой термозвуковой связью. Наиболее распространенный подход к термозвуковому склеиванию заключается в приклеивании шарика к чипу, а затем приклеивании его к подложке . Очень жесткий контроль во время обработки улучшает характеристики зацикливания и устраняет провисание.
Размер соединения, требования к прочности соединения и проводимости обычно определяют наиболее подходящий размер провода для конкретного применения. Типичные производители изготавливают золотую проволоку диаметром от 8 микрометров (0,00031 дюйма) и больше. Производственный допуск на диаметр золотой проволоки +/-3%.
Провода из легированного алюминия, как правило, предпочтительнее проводов из чистого алюминия, за исключением сильноточных устройств, из-за большей легкости волочения до мелких размеров и более высокой прочности на растяжение в готовых устройствах. Чистый алюминий и 0,5% магния-алюминия чаще всего используются в размерах более 100 микрометров (0,0039 дюйма).
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 термозвуковой сварки .
Чтобы гарантировать получение высококачественных соединений при высоких скоростях производства, при производстве 1% кремний-алюминиевой проволоки используется специальный контроль. Одной из важнейших характеристик высококачественной сварочной проволоки этого типа является однородность системы сплава. Однородности уделяется особое внимание в процессе производства. В плановом порядке проводятся микроскопические проверки структуры сплава готовых партий 1% кремний-алюминиевой проволоки. Обработка также осуществляется в условиях, обеспечивающих максимальную чистоту поверхности и гладкую поверхность, а также возможность разматывания без заеданий.
Методы прикрепления
Основные классы скрепления проводов:
Соединение шариков обычно ограничивается золотой и медной проволокой и обычно требует нагрева. Для клинового соединения только золотая проволока требует нагрева. Клиновое соединение может использовать провода большого диаметра или проволочные ленты для применения в силовой электронике. Связывание шариков ограничено проводами малого диаметра, подходящими для межсоединений.
При любом типе соединения проводов провод прикрепляется с обоих концов с использованием комбинации направленного вниз давления, ультразвуковой энергии и, в некоторых случаях, тепла для создания сварного шва . Тепло используется для того, чтобы сделать металл мягче. Правильное сочетание температуры и ультразвуковой энергии используется для обеспечения максимальной надежности и прочности проволочного соединения. Если используется тепло и ультразвуковая энергия, процесс называется термозвуковой сваркой.
При клиновом соединении проволока должна быть протянута по прямой линии в соответствии с первым соединением. Это замедляет процесс из-за времени, необходимого для выравнивания инструмента. Шаровое соединение, однако, создает свое первое соединение в форме шара с проволокой, торчащей вверху, без предпочтения направления. Таким образом, проволоку можно тянуть в любом направлении, что ускоряет процесс.
Податливое соединение передает тепло и давление через податливую или вдавливаемую алюминиевую ленту и, следовательно, применимо для соединения золотых проводов и выводов пучка, которые были гальванопластикой, с кремниевой интегральной схемой (известной как интегральная схема с выводами пучка).
Проблемы производства и надежности
Существует множество проблем, когда речь идет о производстве и надежности проволочных соединений. Эти проблемы, как правило, являются функцией нескольких параметров, таких как системы материалов, параметры склеивания и условия использования. Различные системы проволочного соединения и металлической прокладки , такие как алюминий -алюминий (Al-Al), золото -алюминий (Au-Al) и медь -алюминий (Cu-Al), требуют разных производственных параметров и ведут себя по-разному в одних и тех же условиях эксплуатации.
Производство проволочной связки
Была проделана большая работа, чтобы охарактеризовать различные металлические системы, рассмотреть критические производственные параметры и выявить типичные проблемы надежности, возникающие при соединении проводов. Когда дело доходит до выбора материала, применение и среда использования будут определять металлическую систему. Часто при принятии решения учитываются электрические свойства, механические свойства и стоимость. Например, для сильноточного устройства для космического применения может потребоваться соединение алюминиевой проволокой большого диаметра в герметичном керамическом корпусе. Если стоимость является большим ограничением, то отказ от золотых проволочных облигаций может оказаться необходимостью. Недавно была проведена некоторая работа по изучению соединений медных проводов в автомобильных приложениях. Это лишь небольшая выборка, так как существует огромный объем работы по анализу и тестированию того, какие системы материалов лучше всего работают в различных приложениях.
С точки зрения производства параметры склеивания играют решающую роль в формировании и качестве скрепления. Такие параметры, как сила скрепления, энергия ультразвука, температура и геометрия петли, и многие другие, могут оказать существенное влияние на качество скрепления. Существуют различные методы соединения проводов ( термозвуковое соединение , ультразвуковое соединение, термокомпрессионное соединение ) и типы соединения проводов ( шариковое соединение , соединение клиньев ), которые влияют на восприимчивость к производственным дефектам и проблемы с надежностью. Определенные материалы и диаметры проволоки более практичны для мелкого шага или сложной компоновки. Связующая прокладка также играет важную роль, поскольку наложение металлизации и барьерного слоя (слоев) влияет на формирование связи.
К типичным видам отказов, возникающим в результате плохого качества соединения и производственных дефектов, относятся: разрушение шейки шарового соединения, растрескивание пятки (клиновое соединение), отрыв колодки, отслоение колодки, избыточное сжатие и неправильное образование интерметаллидов. Комбинация испытаний на растяжение/сдвиг проволочных соединений, неразрушающих испытаний и разрушающего физического анализа (DPA) может использоваться для выявления проблем, связанных с производством и качеством.
Надежность проволочного соединения
Хотя производство проволочных соединений, как правило, сосредоточено на качестве соединения, оно часто не учитывает механизмы износа, связанные с надежностью проволочного соединения. В этом случае понимание приложения и среды использования может помочь предотвратить проблемы с надежностью. Типичные примеры условий, которые приводят к сбоям в соединении проводов, включают повышенную температуру, влажность и циклическое изменение температуры.
При повышенных температурах чрезмерный рост интерметаллидов (IMC) может создать точки хрупкого разрушения. Было проделано много работы, чтобы охарактеризовать образование и старение интерметаллидов для различных металлических систем. Это не проблема в металлических системах, где проволочное соединение и контактная площадка выполнены из одного и того же материала, такого как алюминий-алюминий. Это становится проблемой в разнородных металлических системах. Одним из наиболее известных примеров являются хрупкие интерметаллиды, образующиеся в золото-алюминиевых ИМК , таких как пурпурная чума . Кроме того, проблемы, связанные с диффузией, такие как образование пустот по Киркендаллу и образование пустот по Хорстингу, также могут привести к нарушениям проволочного соединения.
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 коррозия Au-Al часто характеризуется законом Пека для температуры и влажности. Это не так часто встречается в других металлических системах.
При циклическом изменении температуры в проволочном соединении возникает термомеханическое напряжение в результате несоответствия коэффициента теплового расширения (КТР) между эпоксидным формовочным компаундом (ЭМС) , выводной рамкой , матрицей, клеем для матрицы и проволочной связью. Это приводит к малоцикловой усталости из-за напряжения сдвига или растяжения в проволочном соединении. Различные модели усталости использовались для прогнозирования усталостной долговечности проволочных соединений в таких условиях.
Правильное понимание среды использования и металлических систем часто является наиболее важным фактором для повышения надежности проволочного соединения.
Тестирование
Несмотря на то, что существуют некоторые методы испытаний проволочных соединений на растяжение и сдвиг, они, как правило, применимы для проверки качества изготовления, а не надежности. Они часто представляют собой монотонные методы сверхнапряжения, где пиковое усилие и местоположение разрушения являются критическими выходными данными. В этом случае в повреждении преобладает пластичность, и оно не отражает некоторые механизмы изнашивания, которые можно наблюдать в условиях окружающей среды.
При испытании на вытягивание проволоки под проволокой воздействует направленная вверх сила, эффективно оттягивающая ее от подложки или матрицы. Цель теста такова, как его описывает MIL-STD-883 2011.9: «Измерить прочность связи, оценить распределение прочности связи или определить соответствие указанным требованиям прочности связи». Проволоку можно тянуть до разрушения, но есть и неразрушающие варианты, при которых проверяется, выдержит ли проволока определенную силу. Методы неразрушающего контроля, как правило, используются для 100%-го тестирования критически важных для безопасности, высококачественных и дорогостоящих продуктов, что позволяет избежать повреждения приемлемых тестируемых проводных соединений.
Термин «натяжение провода» обычно относится к акту натяжения провода с помощью крюка, установленного на датчике натяжения на тестере соединений . Тем не менее, чтобы вызвать определенные режимы отказа, провода можно разрезать, а затем вытягивать с помощью пинцета, также установленного на датчике натяжения на тестере соединений. Обычно провода диаметром до 75 мкм (3 мил) классифицируются как тонкие провода. Помимо этого размера, мы говорим о тестировании толстой проволоки.
Смотрите также
- Фиолетовая чума (интерметаллическая)
- Эффект Киркендалла
- Склеивание шариков
- Клиновое склеивание
- Термозвуковое соединение
- Снять тест
Рекомендации
Ресурсы
- Медная (Cu) проволока Amkor
- J-Devices Copper (Cu) Wirebonding. Архивировано 6 декабря 2018 г. на Wayback Machine.
- Amkor Silver (Ag) Проволочное соединение