.jpg/1280px-NVIDIA@220nm@Fixed-pipline@NV10@GeForce_256@T5A3202220008_S1_Taiwan_A_DSC01376_(29588383793).jpg)
Соединение проводов — это метод соединения между интегральной схемой (ИС) или другим полупроводниковым устройством и его корпусом во время изготовления полупроводникового устройства . Соединение проводов также можно использовать для подключения микросхемы к другой электронике или для подключения одной печатной платы (PCB) к другой, хотя они встречаются реже. Соединение проводов обычно считается наиболее экономичной и гибкой технологией межсоединения и используется для сборки подавляющего большинства полупроводниковых корпусов. Проволочное соединение можно использовать на частотах выше 100 ГГц. [1]
Соединительные проволоки обычно состоят из одного из следующих материалов:
Диаметр проволоки начинается от 10 мкм и может достигать нескольких сотен микрометров для применений с высокой мощностью.
Индустрия проволочных соединений переходит от золота к меди. [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 восприимчивости к коррозии. Ожидается, что к 2015 году более трети всех используемых машин для сварки проводов будут предназначены для работы с медью. [5]
Медная проволока стала одним из предпочтительных материалов для соединения проводов во многих полупроводниковых и микроэлектронных приложениях. Медь используется для склеивания шариков из тонкой проволоки размером от 10 микрометров (0,00039 дюйма) до 75 микрометров (0,003 дюйма). [6] Медная проволока может использоваться при меньшем диаметре, обеспечивая те же характеристики, что и золото, но без высоких затрат на материал. Возможны меньшие диаметры из-за более высокой электропроводности меди. Связи из медной проволоки по крайней мере так же надежны, если не более надежны, чем облигации из золотой проволоки. [7]
Медная проволока толщиной до 500 микрометров (0,02 дюйма) [8] может быть успешно склеена клином . Медная проволока большого диаметра может заменить и действительно заменяет алюминиевую проволоку там, где необходима высокая токовая нагрузка или когда возникают проблемы со сложной геометрией. Отжиг и этапы обработки, используемые производителями, расширяют возможности использования медной проволоки большого диаметра для соединения клина с кремнием без повреждения матрицы.
Медная проволока действительно создает некоторые проблемы, поскольку она тверже золота и алюминия, поэтому параметры соединения необходимо держать под строгим контролем. Количество энергии, используемой во время ультразвуковой сварки, должно быть выше [9] , а медь имеет более высокий ток плавления, поэтому она имеет более высокую допустимую токовую нагрузку. [10] Этому материалу присуще образование оксидов, поэтому хранение и срок годности являются вопросами, которые необходимо учитывать. [7] Для защиты медного провода и увеличения срока хранения требуется специальная упаковка. Медная проволока с палладиевым покрытием является распространенной альтернативой, которая продемонстрировала значительную устойчивость к коррозии, хотя и имеет более высокую твердость, чем чистая медь, и более высокую цену, хотя и меньшую, чем золото. Во время изготовления проволочных соединений медная проволока, а также ее гальванические разновидности должны работать в присутствии образующего газа [95% азота и 5% водорода] или аналогичного бескислородного газа, чтобы предотвратить коррозию. Одним из способов решения проблемы относительной твердости меди является использование сортов [5N+] высокой чистоты. [5]
Эффекты долговременной коррозии (Cu2Si) и другие аспекты стабильности привели к повышению требований к качеству при использовании в автомобильной промышленности [11].
Для склеивания 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. Самый распространенный подход к термозвуковой сварке — это приклеивание шарика к чипу, а затем приклеивание к подложке . Очень жесткий контроль во время обработки улучшает характеристики петли и устраняет провисание.
Требования к размеру соединения, прочности соединения и проводимости обычно определяют наиболее подходящий размер провода для конкретного применения. Типичные производители производят золотую проволоку диаметром от 8 микрометров (0,00031 дюйма) и больше. Производственный допуск на диаметр золотой проволоки составляет +/-3%.
Проволока из легированного алюминия обычно предпочтительнее проволоки из чистого алюминия, за исключением сильноточных устройств, из-за большей легкости волочения до мелких размеров и более высокой прочности при испытании на растяжение в готовых устройствах. Чистый алюминий и 0,5% магний-алюминий чаще всего используются в размерах более 100 микрометров (0,0039 дюйма).
Полностью алюминиевые системы в производстве полупроводников устраняют « фиолетовую чуму » (хрупкое интерметаллическое соединение золота и алюминия), иногда связанную с соединительной проволокой из чистого золота. Алюминий особенно пригоден для термозвуковой сварки .
Чтобы гарантировать получение высококачественных соединений при высоких скоростях производства, при производстве 1% кремний-алюминиевой проволоки используются специальные средства контроля. Одной из важнейших характеристик высококачественной сварочной проволоки этого типа является однородность системы сплавов. В процессе производства особое внимание уделяется однородности. Регулярно проводятся микроскопические проверки структуры сплава готовых партий 1%-ной кремний-алюминиевой проволоки. Обработка также осуществляется в условиях, которые обеспечивают максимальную чистоту поверхности и гладкую поверхность, а также позволяют полностью разматывать бумагу без заеданий.
Основные классы проволочных соединений:
Соединение шариков обычно ограничивается золотой и медной проволокой и обычно требует нагрева. Для соединения клина только золотая проволока требует нагрева. Для соединения клина можно использовать проволоку большого диаметра или проволочные ленты для силовой электроники. Шаровое соединение ограничено проводами небольшого диаметра, подходящими для межсоединения.
В любом типе сварки проволока прикрепляется к обоим концам с использованием сочетания нисходящего 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 максимизации надежности и прочности соединения проводов. Если используется тепло и ультразвуковая энергия, этот процесс называется термозвуковой сваркой.
При клиновом соединении проволока должна быть проведена по прямой линии в соответствии с первым соединением. Это замедляет процесс из-за времени, необходимого для выравнивания инструмента. Однако при соединении шариков первое соединение создается в форме шара, при этом проволока торчит вверху, не имея предпочтения в направлении. Таким образом, проволоку можно тянуть в любом направлении, что ускоряет процесс.
Гибкое соединение [12] передает тепло и давление через податливую или вдавливаемую алюминиевую ленту и, следовательно, применимо для присоединения золотых проводов и выводов луча, которые были подвергнуты гальванопластике к кремниевой интегральной схеме (известной как интегральная схема с лучевыми выводами).
Когда дело доходит до производства и надежности проволочных соединений, возникает множество проблем. Эти проблемы, как правило, зависят от нескольких параметров, таких как системы материалов, параметры склеивания и среда использования. Различные металлические системы проволочного соединения и контактной площадки , 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 использования.
Была проделана большая работа для характеристики различных металлических систем, анализа критических производственных параметров и выявления типичных проблем с надежностью, возникающих при соединении проводов. [13] [14] Когда дело доходит до выбора материала, металлическую систему будут определять условия применения и использования. Часто при принятии решения учитываются электрические свойства, механические свойства и стоимость. Например, для сильноточного устройства космического назначения может потребоваться соединение алюминиевой проволоки большого диаметра в герметично закрытом керамическом корпусе. Если стоимость является серьезным ограничением, то отказ от облигаций из золотой проволоки может стать необходимостью. Недавно была проведена некоторая работа по изучению соединений медной проволоки в автомобильной промышленности. [15] Это лишь небольшая выборка, поскольку существует огромный объем работ по рассмотрению 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 связи. Такие параметры, как сила соединения, энергия ультразвука, температура и геометрия петли, и это лишь некоторые из них, могут оказать существенное влияние на качество соединения. Существуют различные методы соединения проволок ( термозвуковая сварка , ультразвуковая сварка, термокомпрессионная сварка ) и типы проволочных соединений ( шариковая сварка , клиновая сварка ), которые влияют на восприимчивость к производственным дефектам и проблемы с надежностью. Определенные материалы и диаметры проволоки более практичны для мелкого шага или сложной схемы. Соединительная площадка также играет важную роль, поскольку на образование связи влияет структура металлизации и барьерных слоев.
Типичные виды отказов, возникающие в результате плохого качества соединения и производственных дефектов, включают: разрушение шейки шарового соединения, растрескивание пятки (клиновое соединение), отрыв колодки, отслоение колодки, чрезмерное сжатие и неправильное образование интерметаллидов. Для выявления проблем производства и качества можно использовать сочетание испытаний на растяжение/срез, неразрушающего контроля и разрушающего физического анализа (DPA) .
Хотя при производстве проволочных соединений основное внимание уделяется качеству соединения, оно часто не учитывает механизмы износа, связанные с надежностью проволочного соединения. В этом случае понимание условий применения и использования может помочь предотвратить проблемы с надежностью. Типичными примерами сред, которые приводят к нарушениям соединения проводов, являются повышенная температура, влажность и циклическое изменение температуры. [16]
При повышенных температурах чрезмерный рост интерметаллидов (IMC) может создать хрупкие точки разрушения. Большая работа была проделана для характеристики интерметаллического образования и старения различных металлических систем. Это не проблема в металлических системах, где проволочное соединение и контактная площадка изготовлены из одного и того же материала, например Al-Al. Это действительно становится проблемой в разнородных металлических системах. Одним из наиболее известных примеров являются хрупкие интерметаллиды, образующиеся в золото-алюминиевых интерметаллидах, такие как пурпурная чума . Кроме того, проблемы, связанные с диффузией, такие как пустоты Киркендалла и пустоты Хорстинг, также могут привести к нарушениям проволочного соединения.
В условиях повышенной температуры и влажности коррозия может стать проблемой. Это наиболее распространено в металлических системах Au-Al и вызвано гальванической коррозией . Присутствие галогенидов, таких как хлор, может ускорить такое 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 проволочным соединением. Это приводит к малоцикловой усталости из-за сдвиговых или растягивающих напряжений в проволочном соединении. Для прогнозирования усталостной долговечности проволочных соединений в таких условиях использовались различные модели усталости .
Правильное понимание условий эксплуатации и металлических систем часто является наиболее важным фактором повышения надежности соединения проводов.
Хотя существуют некоторые методы испытаний на растяжение и сдвиг, такие как MIL-STD-883, ASTM F459-13 и JESD22-B116, [17] [18] [19] [20] , они, как правило, применимы скорее для качества производства. чем надежность. Часто это методы монотонного перенапряжения, где критическими результатами являются пиковая сила и местоположение разрушения. В этом случае в повреждении преобладает пластичность, и оно не отражает некоторые механизмы изнашивания, которые можно наблюдать в условиях окружающей среды.
При испытании на растяжение проволоки под проволокой применяется направленная вверх сила, эффективно отрывающая ее от подложки или матрицы. [21] Цель испытания описана в стандарте MIL-STD-883 2011.9: «Измерить прочность соединения, оценить распределение прочности соединения или определить соответствие указанным требованиям к прочности соединения». Проволоку можно растянуть до разрушения, но существуют и неразрушающие варианты, при которых проверяется, выдерживает ли проволока определенную силу. Методы неразрушающего контроля обычно используются для 100% испытаний критически важных для безопасности, высококачественных и дорогостоящих продуктов, избегая повреждения приемлемых проверяемых проводных соединений.
Термин «вытягивание провода» обычно относится к процессу вытягивания провода с помощью крючка, установленного на датчике натяжения на тестере сцепления . Однако, чтобы способствовать определенным видам отказа, провода можно разрезать, а затем выдернуть пинцетом, который также установлен на датчике натяжения на тестере сцепления. Обычно провода диаметром до 75 мкм (3 мил) классифицируются как тонкие. За пределами этого размера мы говорим об испытаниях на толстой проволоке.