La unión de bolas es un tipo de unión de cables y es la forma más común de realizar las interconexiones eléctricas entre un chip y el mundo exterior como parte de la fabricación de dispositivos semiconductores .
Se puede usar alambre de oro o cobre , aunque el oro es más común porque su óxido no es tan problemático para hacer una soldadura. Si se usa alambre de cobre, se debe usar nitrógeno como gas de cobertura para evitar que se formen óxidos de cobre durante el proceso de unión del alambre. El cobre también es más duro que el oro, lo que aumenta la probabilidad de que se dañe la superficie del chip. Sin embargo, el cobre es más barato que el oro y tiene propiedades eléctricas superiores [1], por lo que sigue siendo una opción atractiva.
Casi todos los procesos modernos de unión de bolas utilizan una combinación de calor, presión y energía ultrasónica para hacer una soldadura en cada extremo del alambre. El alambre utilizado puede ser tan pequeño como de 15 µm de diámetro, de modo que varias soldaduras puedan caber a lo ancho de un cabello humano.
Una persona que ve por primera vez un pegador de bolas generalmente comparará su funcionamiento con el de una máquina de coser . De hecho, existe una herramienta desechable en forma de aguja llamada capilar , a través de la cual se alimenta el alambre. Se aplica una carga eléctrica de alto voltaje al cable. Esto derrite el alambre en la punta del capilar. La punta del alambre forma una bola debido a la tensión superficial del metal fundido.
La bola se solidifica rápidamente y el capilar se baja a la superficie del chip, que normalmente se calienta a al menos 125 ° C. Luego, la máquina empuja hacia abajo el capilar y aplica energía ultrasónica con un transductor adjunto . La combinación de calor, presión y energía ultrasónica crea una soldadura entre la bola de cobre o de oro y la superficie del chip, que generalmente es de cobre o aluminio . Este es el llamado enlace de bola que da nombre al proceso. [2] (Los sistemas totalmente de aluminio en la fabricación de semiconductores eliminan la " plaga púrpura ", un compuesto intermetálico de oro y aluminio quebradizo, a veces asociado con el alambre de unión de oro puro. Esta propiedad hace que el aluminio sea ideal para la unión por ultrasonidos)
A continuación, el cable se pasa a través del capilar y la máquina se mueve unos pocos milímetros hasta la ubicación a la que se debe cablear el chip (generalmente llamado marco de plomo [3] ). La máquina vuelve a descender a la superficie, esta vez sin hacer una bola, de modo que el alambre se aplasta entre el marco de plomo y la punta del capilar. Esta vez, la superficie suele ser de oro, paladio o plata, pero la soldadura se realiza de la misma forma. La soldadura resultante es bastante diferente en apariencia a la unión de bola y se conoce como unión de cuña , unión de cola o simplemente como la segunda unión .
En el paso final, la máquina distribuye un pequeño trozo de cable y lo arranca de la superficie con un juego de abrazaderas. Esto deja una pequeña cola de alambre colgando del extremo del capilar. Luego, el ciclo comienza de nuevo con la carga eléctrica de alto voltaje que se aplica a esta cola.
El proceso en el que se corta el alambre justo después de que se forma la bola también se denomina golpe de espárrago . El golpe de espárrago se utiliza al apilar chips en módulos de sistema en paquete (SIP). [4]
Las máquinas de última generación actuales (a partir de 2003 [actualizar]) pueden repetir este ciclo unas 20 veces por segundo. Un enlazador de bolas moderno es completamente automático y es esencialmente un robot industrial autosuficiente, completo con un sistema de visión, sensores y servosistemas complejos.
Transductor de unión de bolas
Los transductores piezoeléctricos se utilizan para proporcionar energía ultrasónica en el proceso de unión de bolas. Estos transductores se conocen como transductores de pernos o transductores Langevin. Consisten en componentes metálicos y elementos piezoeléctricos, todos unidos por un perno. Estos transductores operan a su frecuencia resonante de vibración lateral para introducir excitación ultrasónica lateral al capilar. A lo largo de la dirección lateral del transductor, existen puntos nodales (gran desplazamiento) y puntos antinodales (sin desplazamiento). Los elementos piezoeléctricos se expanden y contraen con la excitación de voltaje alterno (que estará en la frecuencia de resonancia), excitando así la vibración de resonancia en la estructura. Por lo general, se apilan algunos elementos para aumentar el campo eléctrico para un voltaje aplicado (la tensión se genera proporcionalmente al campo eléctrico). Para maximizar la transferencia de energía del elemento piezoeléctrico a la estructura, se colocan en nodos, que son regiones de alta tensión y alta tensión. Al mismo tiempo, para minimizar la pérdida de energía al entorno, el transductor se mantiene en un antinodo (sin desplazamiento). [5]
En el extremo frontal del transductor se usa una bocina cónica para aumentar la vibración. Se pueden utilizar diferentes perfiles de ahusamiento para obtener el resultado deseado, como un ahusamiento lineal o un ahusamiento parabólico. La forma cónica del cuerno reduce el área de la sección transversal, lo que provoca una mayor densidad de energía ultrasónica, lo que provoca un mayor desplazamiento cerca de la punta. El capilar se coloca cerca de la punta por este motivo. Los modos de flexión de orden superior se excitan en el capilar, que son bastante poco ideales. Para mitigar este efecto, la posición de sujeción del capilar se ajusta a un antinodo del capilar. Idealmente, el capilar sería corto, pero esto no es posible porque la unión debe realizarse en áreas de difícil acceso. [5]
El perno sujeta toda la estructura junta atornillándola en la bocina (según la configuración). Es necesario administrar una precarga correcta para optimizar el rendimiento. Las cerámicas piezoeléctricas son débiles bajo tensión; por lo tanto, una gran precarga asegurará que la cerámica funcione principalmente en compresión debido a la tensión de polarización. [5]
Ver también
Referencias
- ^ "Unión de alambre de cobre (Cu) o unión de alambre de cobre" . www.siliconfareast.com .
- ^ "AMETEK Electronic Components and Packaging, un productor líder mundial de soluciones de embalaje electrónico de extremo a extremo para entornos hostiles y aplicaciones sensibles a la confiabilidad" . www.coininginc.com .
- ^ "Lead Frames o Leadframes - Página 1 de 2" . www.siliconfareast.com .
- ^ "AMETEK Electronic Components and Packaging, un productor líder mundial de soluciones de embalaje electrónico de extremo a extremo para entornos hostiles y aplicaciones sensibles a la confiabilidad" . www.coininginc.com .
- ^ a b c Yan, Tian-Hong; et al. (24 de junio de 2009). "Diseño de un transductor ultrasónico inteligente para interconectar aplicaciones de máquinas" . Sensores . 9 (6): 4986–5000. doi : 10.3390 / s90604986 . PMC 3291949 . PMID 22408564 .