Unión de cables

La unión de cables es el método de realizar interconexiones entre un circuito integrado (IC) u otro dispositivo semiconductor y su empaque durante la fabricación del dispositivo semiconductor . Aunque es menos común, la unión de cables se puede utilizar para conectar un circuito integrado a otros componentes electrónicos o para conectar una placa de circuito impreso (PCB) a otra. La unión de cables se considera generalmente la tecnología de interconexión más rentable y flexible y se utiliza para ensamblar la gran mayoría de paquetes de semiconductores. La unión por cable se puede utilizar en frecuencias superiores a 100 GHz. [1]

Bola de alambre de oro unido a una almohadilla de contacto de oro
Cables de aluminio de cuña unidos a un KSY34 transistor troquel
Diodo de germanio AAZ15 unido con alambre de oro
Las interconexiones en un paquete de energía se realizan utilizando cables de aluminio gruesos (250 a 400 μm), unidos por cuña
Dentro de un paquete BGA unido por cable ; este paquete tiene una GPU Nvidia GeForce 256

Los cables de enlace generalmente constan de uno de los siguientes materiales:

Los diámetros de alambre comienzan en 15 μm y pueden ser de hasta varios cientos de micrómetros para aplicaciones de alta potencia.

La industria de la unión de cables está pasando del oro al cobre. [2] [3] [4] Este cambio ha sido provocado por el costo creciente del oro y el costo comparativamente estable, y mucho más bajo, del cobre. Si bien posee una conductividad térmica y eléctrica más alta que el oro, anteriormente se consideraba que el cobre era menos confiable debido a su dureza y susceptibilidad a la corrosión. Para 2015, se espera que más de un tercio de todas las máquinas de unión de cables en uso estén configuradas para cobre. [5]

El alambre de cobre se ha convertido en uno de los materiales preferidos para interconectar cables en muchas aplicaciones de semiconductores y microelectrónicos. El cobre se utiliza para la unión de bolas de alambre fino en tamaños desde 0,0004 pulgadas (10 micrómetros) hasta 0,004 pulgadas (100 micrómetros). [6] El alambre de cobre tiene la capacidad de usarse en diámetros más pequeños, proporcionando el mismo rendimiento que el oro sin el alto costo del material. [7]

El alambre de cobre de hasta 0.020 pulgadas (500 micrómetros) [8] se puede unir en forma de cuña con éxito . El alambre de cobre de gran diámetro puede reemplazar y reemplaza el alambre de aluminio cuando se necesita una alta capacidad de carga de corriente o cuando hay problemas con geometría compleja. Los pasos de recocido y proceso utilizados por los fabricantes mejoran la capacidad de usar alambre de cobre de gran diámetro para unir el silicio sin dañar el troquel. [7]

El alambre de cobre plantea algunos desafíos, ya que es más duro que el oro y el aluminio, por lo que los parámetros de unión deben mantenerse bajo estricto control. La formación de óxidos es inherente a este material, por lo que el almacenamiento y la vida útil son cuestiones que deben tenerse en cuenta. Se requiere un embalaje especial para proteger el alambre de cobre y lograr una vida útil más larga. [7] El alambre de cobre recubierto de paladio es una alternativa común que ha mostrado una resistencia significativa a la corrosión, aunque con una dureza más alta que el cobre puro y un precio más alto, aunque todavía menor que el oro. Durante la fabricación de uniones de alambre, el alambre de cobre, así como sus variedades chapadas, deben trabajarse en presencia de gas de formación [95% de nitrógeno y 5% de hidrógeno] o un gas anóxico similar para evitar la corrosión. Un método para hacer frente a la dureza relativa del cobre es el uso de variedades de alta pureza [5N +]. [5]

Paquete de LED de montaje en superficie rojo, verde y azul con detalles de unión de cables dorados .

El alambre de oro puro dopado con cantidades controladas de berilio y otros elementos se utiliza normalmente para la unión de bolas . Este proceso reúne los dos materiales que se unirán mediante calor, presión y energía ultrasónica denominada unión termosónica. El enfoque más común en unión thermosonic es a la bola-bond al chip, entonces puntada-bond al sustrato . Los controles muy estrictos durante el procesamiento mejoran las características de los bucles y eliminan el hundimiento.

Los requisitos de tamaño de la unión, resistencia de la unión y conductividad generalmente determinan el tamaño de cable más adecuado para una aplicación específica de unión de cables. Los fabricantes típicos fabrican alambre de oro en diámetros desde 0,0005 pulgadas (12,5 micrómetros) y mayores. La tolerancia de producción en el diámetro del alambre de oro es de +/- 3%. [9]

Los alambres de aluminio aleados se prefieren generalmente al alambre de aluminio puro, excepto en dispositivos de alta corriente debido a una mayor facilidad de estiramiento a tamaños finos y mayores resistencias de prueba de tracción en dispositivos terminados. El aluminio puro y el 0,5% de magnesio-aluminio se utilizan con mayor frecuencia en tamaños superiores a 0,004 pulgadas (101 micrómetros).

Los sistemas totalmente de aluminio en la fabricación de semiconductores eliminan la " plaga púrpura " (compuesto intermetálico de oro y aluminio quebradizo) que a veces se asocia con el alambre de unión de oro puro. El aluminio es particularmente adecuado para la unión termosónica .

Para asegurar que se puedan obtener uniones de alta calidad a altas velocidades de producción, se utilizan controles especiales en la fabricación de alambre de silicio-aluminio al 1% . Una de las características más importantes del alambre de unión de alta calidad de este tipo es la homogeneidad del sistema de aleación. Se presta especial atención a la homogeneidad durante el proceso de fabricación. Se realizan rutinariamente controles microscópicos de la estructura de la aleación de lotes terminados de alambre de silicio-aluminio al 1%. El procesamiento también se lleva a cabo en condiciones que proporcionan lo último en limpieza de superficies y un acabado suave y permiten un desenrollado sin enganches. [10]

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Demostración de la unión por cuña ultrasónica de un alambre de aluminio entre electrodos de oro en una placa de circuito impreso y electrodos de oro en un sustrato de zafiro, orden de unión inverso.

Las principales clases de unión por cable:

  • Unión de bolas
  • Unión de cuña
  • Unión compatible

La unión de bolas generalmente se limita a alambre de oro y cobre y generalmente requiere calor. Para la unión por cuña, solo el alambre de oro requiere calor. La unión en cuña puede utilizar cables o cintas de cables de gran diámetro para aplicaciones de electrónica de potencia. La unión de bolas se limita a cables de diámetro pequeño, adecuados para aplicaciones de interconexión.

En cualquier tipo de unión de cables, el cable se une en ambos extremos mediante una combinación de presión descendente, energía ultrasónica y, en algunos casos, calor, para realizar una soldadura . El calor se usa para ablandar el metal. Se utiliza la combinación correcta de temperatura y energía ultrasónica para maximizar la confiabilidad y la fuerza de un enlace de alambre. Si se utiliza calor y energía ultrasónica, el proceso se denomina unión termosónica.

En la unión por cuña, el cable debe dibujarse en línea recta de acuerdo con la primera unión. Esto ralentiza el proceso debido al tiempo necesario para la alineación de la herramienta. Sin embargo, la unión de bolas crea su primera unión en forma de bola con el alambre sobresaliendo en la parte superior, sin preferencia direccional. Por lo tanto, el alambre se puede estirar en cualquier dirección, lo que lo convierte en un proceso más rápido.

La unión compatible [11] transmite calor y presión a través de una cinta de aluminio compatible o indentable y, por lo tanto, es aplicable en la unión de cables de oro y cables de haz que se han electroformado al circuito integrado de silicio (conocido como circuito integrado con cables de haz).

Existen múltiples desafíos cuando se trata de la confiabilidad y la fabricación de uniones por cable. Estos desafíos tienden a ser una función de varios parámetros, como los sistemas de materiales, los parámetros de unión y el entorno de uso. Los diferentes sistemas metálicos de almohadillas de unión de alambre , como Aluminio - Aluminio (Al-Al), Oro- Aluminio (Au-Al) y Cobre- Aluminio (Cu-Al) requieren diferentes parámetros de fabricación y se comportan de manera diferente en los mismos entornos de uso.

Fabricación de enlaces de alambre

Se ha trabajado mucho para caracterizar varios sistemas metálicos, revisar parámetros de fabricación críticos e identificar problemas de confiabilidad típicos que ocurren en la unión de cables. [12] [13] Cuando se trata de la selección de materiales, el entorno de aplicación y uso determinará el sistema de metal. A menudo, las propiedades eléctricas, las propiedades mecánicas y el costo se tienen en cuenta al tomar una decisión. Por ejemplo, un dispositivo de alta corriente para una aplicación espacial podría requerir una unión de alambre de aluminio de gran diámetro en un paquete de cerámica sellado herméticamente. Si el costo es una gran limitación, entonces puede ser necesario evitar las uniones con alambre de oro. Se ha realizado algún trabajo reciente para analizar las uniones de alambre de cobre en aplicaciones automotrices. [14] Esta es solo una pequeña muestra, ya que existe una gran cantidad de trabajo que revisa y prueba qué sistemas de materiales funcionan mejor en diferentes aplicaciones.

Desde una perspectiva de fabricación, los parámetros de unión juegan un papel crítico en la formación y calidad de la unión. Parámetros como la fuerza de unión, la energía ultrasónica, la temperatura y la geometría del bucle, por nombrar algunos, pueden tener un efecto significativo en la calidad de la unión. Existen varias técnicas de unión por cable ( unión termosónica , unión ultrasónica, unión por termocompresión ) y tipos de unión por cable ( unión por bola , unión por cuña ) que afectan la susceptibilidad a defectos de fabricación y problemas de confiabilidad. Ciertos materiales y diámetros de alambre son más prácticos para diseños complejos o de paso fino. La almohadilla de unión también juega un papel importante ya que la metalización y la acumulación de capas de barrera afectarán la formación de la unión.

Los modos de falla típicos que resultan de una mala calidad de unión y defectos de fabricación incluyen: fractura en el cuello de unión de la bola, agrietamiento del talón (uniones en cuña), despegue de la almohadilla, despegue de la almohadilla, sobrecompresión y formación intermetálica inadecuada. Se puede utilizar una combinación de pruebas de tracción / corte de unión de cables, pruebas no destructivas y análisis físico destructivo (DPA) para detectar problemas de fabricación y calidad.

Fiabilidad de la unión por cable

Si bien la fabricación de enlaces de alambre tiende a centrarse en la calidad de la unión, a menudo no tiene en cuenta los mecanismos de desgaste relacionados con la confiabilidad de la unión de cables. En este caso, la comprensión de la aplicación y el entorno de uso puede ayudar a prevenir problemas de confiabilidad. Los ejemplos comunes de entornos que conducen a fallas en la unión de cables incluyen temperatura, humedad y ciclos de temperatura elevados. [15]

Bajo temperaturas elevadas, el crecimiento excesivo de intermetálicos (IMC) puede crear puntos frágiles de fractura. Mucho trabajo que se ha realizado para caracterizar la formación intermetálica y el envejecimiento de varios sistemas metálicos. Esto no es un problema en los sistemas metálicos donde la unión de alambre y la almohadilla de unión son del mismo material, como Al-Al. Esto se convierte en una preocupación en sistemas de metales diferentes. Uno de los ejemplos más conocidos son los intermetálicos frágiles que se forman en los IMC de oro y aluminio , como la peste púrpura . Además, los problemas relacionados con la difusión, como el vaciado de Kirkendall y el vaciado de Horsting, también pueden provocar fallas en la unión de cables.

En entornos de temperatura y humedad elevadas, la corrosión puede ser un problema. Esto es más común en los sistemas de metal Au-Al y es impulsado por la corrosión galvánica . La presencia de haluros como el cloro puede acelerar este comportamiento. Esta corrosión Au-Al a menudo se caracteriza por la ley de Peck para la temperatura y la humedad. Esto no es tan común en otros sistemas metálicos.

En ciclos de temperatura, se genera tensión termomecánica en la unión del alambre como resultado del desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el compuesto de moldeo epoxi (EMC) , el marco de plomo , el troquel, el adhesivo del troquel y la unión del alambre. Esto conduce a una fatiga de ciclo bajo debido a esfuerzos cortantes o de tracción en la unión del alambre. Se han utilizado varios modelos de fatiga para predecir la vida de fatiga de las uniones de alambre en tales condiciones.

La comprensión adecuada del entorno de uso y los sistemas metálicos son a menudo los factores más importantes para aumentar la confiabilidad de la unión de cables.

Si bien existen algunas técnicas de prueba de tracción y cizallamiento de la unión de cables, [16] [17] [18] [19] tienden a ser aplicables para la calidad de fabricación más que para la confiabilidad. A menudo son técnicas de sobrecarga monótona, donde la fuerza máxima y la ubicación de la fractura son los resultados críticos. En este caso, el daño está dominado por la plasticidad y no refleja algunos mecanismos de desgaste que podrían observarse en condiciones ambientales.

La prueba de tracción del cable aplica una fuerza hacia arriba debajo del cable, separándolo efectivamente del sustrato o troquel. [20] El propósito de la prueba es como lo describe MIL-STD-883 2011.9 : "Para medir la fuerza de la unión, evaluar las distribuciones de la fuerza de la unión o determinar el cumplimiento de los requisitos de fuerza de la unión especificados". Se puede tirar de un cable hasta la destrucción, pero también hay variantes no destructivas en las que se prueba si el cable puede soportar una cierta fuerza. Los métodos de prueba no destructivos se utilizan típicamente para realizar pruebas al 100% de productos críticos para la seguridad, de alta calidad y de alto costo, evitando dañar las uniones cableadas aceptables probadas.

El término tracción de cable generalmente se refiere al acto de tirar de un cable con un gancho montado en un sensor de tracción en un comprobador de adherencia . Sin embargo, para promover ciertos modos de falla, los cables se pueden cortar y luego tirar con pinzas, también montadas en un sensor de tracción en un comprobador de adherencia. Por lo general, los cables de hasta 75 μm de diámetro (3 mil) se clasifican como cables delgados. Más allá de ese tamaño, hablamos de pruebas de alambre grueso.

  • Plaga púrpura (intermetálica)
  • Efecto Kirkendall
  • Unión de bolas
  • Unión de cuña
  • Unión termosónica
  • Prueba de extracción

  1. ^ V. Valenta et al., "Diseño y evaluación experimental de interconexiones bondwire compensadas por encima de 100 GHz", International Journal of Microwave and Wireless Technologies, 2015 .
  2. ^ "K&S - ACS Pro" . www.kns.com .
  3. ^ Mokhoff, Nicolas (26 de marzo de 2012). "Red Micro Wire encapsula la unión de cables en vidrio" . EE Times . San Francisco : UBM plc . ISSN  0192-1541 . OCLC  56085045 . Archivado desde el original el 20 de marzo de 2014 . Consultado el 20 de marzo de 2014 .
  4. ^ "Notificación de cambio de producto - CYER-27BVXY633" . microchip.com . 29 de agosto de 2013. Archivado desde el original el 20 de marzo de 2014 . Consultado el 20 de marzo de 2014 .
  5. ^ a b Chauhan, Preeti; Choubey, Anupam; Zhong, ZhaoWei; Pecht, Michael (2014). Unión de alambre de cobre (PDF) . Nueva York : Springer. ISBN 978-1-4614-5760-2. OCLC  864498662 .
  6. ^ "Catálogo de cables de unión de Heraeus para tecnología de semiconductores" (PDF) . Heraeus . Heraeus.
  7. ^ a b c "Alambre de unión de cobre fino: materiales de interconexión eléctrica" . ametek-ecp.com . 20 de junio de 2018.
  8. ^ Brökelmann, M .; Siepe, D .; Hunstig, M .; McKeown, M .; Oftebro, K. (26 de octubre de 2015), Unión de alambre de cobre lista para la producción industrial en masa (PDF) , consultado el 30 de enero de 2016
  9. ^ "Gold Bonding Wire and Ribbon: Wire for Automatic Bonders" . ametek-ecp.com . 20 de junio de 2018.
  10. ^ "Cinta y alambre de unión de aluminio: alambre de aluminio de silicio, cinta de aluminio" . ametek-ecp.com . 20 de junio de 2018.
  11. ^ A. Coucoulas, Actas "Compliant Bonding" 1970 IEEE 20th Electronic Components Conference, págs. 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_Adered_Best_Paper
  12. ^ GG Harman, Unión de cables en microelectrónica: materiales, procesos, confiabilidad y rendimiento. Nueva York: McGraw Hill, 2010.
  13. ^ SK Prasad, tecnología avanzada de interconexión Wirebond. Nueva York: Springer, 2004.
  14. ^ Asegurando la idoneidad de los circuitos integrados unidos con alambre de Cu para aplicaciones automotrices
  15. ^ Hillman, C., " Predecir y evitar fallas en la unión de matrices, unión de cables y soldaduras ". Simposio internacional sobre integración y fabricación de electrónica de potencia 3D (3D-PEIM), 2016.
  16. ^ MIL-STD-883: Método de prueba estándar para microcircuitos, Método 2011.7 Fuerza de unión (Prueba de tracción de unión destructiva)
  17. ^ MIL-STD-883: Método de prueba estándar para microcircuitos, Método 2023.5 Tirón de enlace no destructivo
  18. ^ ASTM F459-13: Métodos de prueba estándar para medir la fuerza de tracción de uniones de cables microelectrónicos
  19. ^ JESD22-B116: Método de prueba de corte de enlace de alambre
  20. ^ Cómo probar las uniones: ¿Cómo tirar de cables? Abril de 2016.

  • Unión de alambre de cobre (Cu) de Amkor
  • Unión de cables de cobre (Cu) de J-Devices
  • Unión de alambre de plata (Ag) de Amkor