Шариковая сварка — это разновидность проволочной сварки , которая является наиболее распространенным способом создания электрических соединений между голым кремниевым кристаллом и выводной рамкой корпуса, в который он помещается во время изготовления полупроводникового прибора .
Можно использовать золотую или медную проволоку, хотя золото более распространено, поскольку его оксид не так проблематичен при сварке. Если используется медная проволока, в качестве защитного газа должен использоваться азот , чтобы предотвратить образование оксидов меди во время процесса соединения проводов. Медь также тверже золота, что повышает вероятность повреждения поверхности чипа. Однако медь дешевле золота и обладает превосходными электрическими свойствами [1] , поэтому остается убедительным выбором.
Почти все современные процессы шариковой сварки используют комбинацию тепла, давления и ультразвуковой энергии для сварки на каждом конце проволоки. Используемая проволока может быть диаметром всего 15 мкм, так что несколько сварных швов могут поместиться на ширине человеческого волоса.
Человек, впервые увидев шарообразный бондер, обычно сравнивает его работу с работой швейной машинки . Фактически, это игольчатый одноразовый инструмент, называемый капилляром , через который подается проволока. К проволоке подается высоковольтный электрический заряд. Это расплавляет проволоку на кончике капилляра. Кончик проволоки принимает форму шарика из-за поверхностного натяжения расплавленного металла.
Шарик быстро затвердевает, и капилляр опускается на поверхность чипа, которая обычно нагревается до температуры не менее 125 °C. Затем машина надавливает на капилляр и применяет ультразвуковую энергию с помощью прикрепленного преобразователя . Объединенное тепло, давление и ультразвуковая энергия создают сварной шов между медным или золотым шариком и поверхностью чипа, которая обычно из меди или алюминия . Это так называемая шариковая связь , которая и дала название процессу. [2] (Полностью алюминиевые системы в производстве полупроводников устраняют « фиолетовую чуму » — хрупкое интерметаллическое соединение золота и алюминия, — иногда связанное с соединительной проволокой из чистого золота. Это свойство делает алюминий идеальным для ультразвуковой сварки.)
Затем провод пропускается через капилляр, и машина перемещается на несколько миллиметров к месту, к которому необходимо подключить чип (обычно называемому рамкой выводов [3] ). Машина снова опускается на поверхность, на этот раз не делая шарика, так что провод оказывается раздавленным между рамкой выводов и кончиком капилляра. На этот раз поверхность обычно золотая, палладиевая или серебряная, но сварка выполняется тем же способом. Полученная сварка по внешнему виду сильно отличается от сварки шариком и называется клиновой сваркой , хвостовой сваркой или просто второй сваркой .
На последнем этапе машина выдает небольшой отрезок проволоки и отрывает его от поверхности с помощью набора зажимов. Это оставляет небольшой хвостик проволоки, свисающий с конца капилляра. Затем цикл начинается снова с подачи на этот хвостик высоковольтного электрического заряда.
Процесс, при котором провод обрезается сразу после формирования шарика, также называется stud bumping . Stud bumping используется при укладке чипов в модули system in package (SIP). [4]
Современные машины (по состоянию на 2003 год [обновлять]) могут повторять этот цикл около 20 раз в секунду. Современный шаровой скрепитель полностью автоматизирован и по сути является самодостаточным промышленным роботом, оснащенным системой технического зрения, датчиками и сложными сервосистемами.
Пьезоэлектрические преобразователи используются для подачи ультразвуковой энергии в процессе соединения шариков. Эти преобразователи известны как преобразователи с болтовым зажимом или преобразователи Ланжевена. Они состоят из металлических компонентов и пьезоэлектрических элементов, все из которых скреплены вместе болтом. Эти преобразователи работают на своей резонансной частоте поперечной вибрации, чтобы вводить поперечное ультразвуковое возбуждение в капилляр. Вдоль поперечного направления преобразователя существуют узловые точки (большое смещение) и пучности (отсутствие смещения). Пьезоэлектрические элементы расширяются и сжимаются при возбуждении переменного напряжения (которое будет на резонансной частоте), тем самым возбуждая резонансную вибрацию в структуре. Обычно несколько элементов укладываются друг на друга, чтобы увеличить электрическое поле для приложенного напряжения (напряжение создается пропорционально электрическому полю). Чтобы максимизировать передачу энергии от пьезоэлектрического элемента к структуре, они размещаются в узлах, которые являются областями высокой деформации и высокого напряжения. В то же время, чтобы минимизировать потери энергии в окружающую среду, преобразователь удерживается в пучности (без смещения). [5]
На переднем конце преобразователя используется конический рупор для усиления вибрации. Для получения желаемого результата можно использовать различные профили сужения, такие как линейный или параболический конус. Конусность рупора уменьшает площадь поперечного сечения, вызывая большую плотность ультразвуковой энергии, что приводит к большему смещению вблизи наконечника. По этой причине капилляр размещается вблизи наконечника. В капилляре возбуждаются изгибные моды более высокого порядка, которые являются довольно неидеальными. Чтобы смягчить этот эффект, положение зажима капилляра регулируется до пучности капилляра. В идеале капилляр должен быть коротким, но это невозможно, поскольку соединение должно быть выполнено в труднодоступных местах. [5]
Болт зажимает всю конструкцию вместе, ввинчиваясь в рог (в зависимости от конфигурации). Правильная предварительная нагрузка должна быть введена для оптимизации производительности. Пьезокерамика слаба при растяжении; поэтому большая предварительная нагрузка гарантирует, что керамика будет работать в основном при сжатии из-за напряжения смещения. [5]