.jpg/1280px-NVIDIA@220nm@Fixed-pipline@NV10@GeForce_256@T5A3202220008_S1_Taiwan_A_DSC01376_(29588383793).jpg)
Склеивание проводов — это метод создания соединений между интегральной схемой (ИС) или другим полупроводниковым устройством и его корпусом во время изготовления полупроводникового устройства . Склеивание проводов также может использоваться для соединения ИС с другими электронными устройствами или для соединения одной печатной платы (ПП) с другой, хотя они менее распространены. Склеивание проводов обычно считается наиболее экономически эффективной и гибкой технологией соединений и используется для сборки подавляющего большинства полупроводниковых корпусов. Склеивание проводов может использоваться на частотах выше 100 ГГц. [1]
Проволочные соединители обычно состоят из одного из следующих материалов:
Диаметр проволоки составляет от менее 10 мкм и может достигать нескольких сотен микрометров для высокомощных применений.
Индустрия по склеиванию проводов переходит с золота на медь. [2] [3] [4] Это изменение было вызвано ростом стоимости золота и сравнительно стабильной и гораздо более низкой стоимостью меди. Обладая более высокой тепло- и электропроводностью, чем золото, медь ранее считалась менее надежной из-за своей твердости и подверженности коррозии. Ожидается, что к 2015 году более трети всех используемых машин по склеиванию проводов будут настроены на медь. [5]
Медная проволока стала одним из предпочтительных материалов для соединительных проводов во многих полупроводниковых и микроэлектронных приложениях. Медь используется для тонкого шарикового соединения проводов размером от 10 микрометров (0,00039 дюйма) до 75 микрометров (0,003 дюйма). [6] Медная проволока может использоваться в меньших диаметрах, обеспечивая ту же производительность, что и золото, без высокой стоимости материала. Меньшие диаметры возможны из-за более высокой электропроводности меди. Соединения медной проволоки по крайней мере столь же надежны, если не более надежны, чем соединения золотой проволоки. [7]
Медная проволока до 500 микрометров (0,02 дюйма) [8] может быть успешно соединена клином . Медная проволока большого диаметра может заменить алюминиевую проволоку, и действительно заменяет ее там, где требуется высокая пропускная способность по току или где есть проблемы со сложной геометрией. Отжиг и этапы процесса, используемые производителями, повышают возможность использования медной проволоки большого диаметра для соединения клином с кремнием без повреждения кристалла.
Медная проволока действительно создает некоторые проблемы, поскольку она тверже золота и алюминия, поэтому параметры соединения должны строго контролироваться. Количество энергии, используемой во время ультразвуковой сварки, должно быть выше [9] , а медь имеет более высокий ток плавления, поэтому она имеет более высокую токопроводящую способность. [10] Образование оксидов присуще этому материалу, поэтому хранение и срок годности являются вопросами, которые необходимо учитывать. [7] Специальная упаковка требуется для защиты медной проволоки и достижения более длительного срока годности. 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 еще ниже, чем золото. Во время изготовления проволочных соединений медная проволока, а также ее гальванические разновидности должны обрабатываться в присутствии формовочного газа [95% азота и 5% водорода] или аналогичного бескислородного газа, чтобы предотвратить коррозию. Методом борьбы с относительной твердостью меди является использование сортов высокой чистоты [5N+]. [5]
Долгосрочные эффекты коррозии (Cu2Si) и другие аспекты стабильности привели к повышению требований к качеству при использовании в автомобильной промышленности [11]
Чистая золотая проволока , легированная контролируемым количеством бериллия и других элементов, обычно используется для шариковой сварки . Этот процесс объединяет два материала, которые должны быть соединены с помощью тепла, давления и ультразвуковой энергии, называемой термозвуковой сваркой. Наиболее распространенный подход в термозвуковой сварке заключается в шариковой сварке с чипом, а затем в стежковой сварке с подложкой . Очень жесткий контроль во время обработки улучшает характеристики петли и устраняет провисание.
Размер соединения, прочность связи и требования к проводимости обычно определяют наиболее подходящий размер провода для конкретного применения по соединению проводов. Типичные производители изготавливают золотую проволоку диаметром от 8 микрометров (0,00031 дюйма) и больше. Допуск на диаметр золотой проволоки составляет +/-3%.
Провода из легированного алюминия обычно предпочтительнее проводов из чистого алюминия, за исключением устройств с высоким током, из-за большей легкости волочения до мелких размеров и более высокой прочности на разрыв 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 « фиолетовую чуму » (хрупкое интерметаллическое соединение золота и алюминия), иногда связанную с чистой золотой проволокой для соединения. Алюминий особенно подходит для термозвуковой связи .
Для обеспечения получения высококачественных соединений при высоких скоростях производства при производстве 1% кремниево-алюминиевой проволоки используются специальные средства контроля . Одной из важнейших характеристик высококачественной соединительной проволоки этого типа является однородность системы сплава. Однородности уделяется особое внимание в процессе производства. Микроскопические проверки структуры сплава готовых партий 1% кремниево-алюминиевой проволоки проводятся регулярно. Обработка также осуществляется в условиях, которые обеспечивают максимальную чистоту поверхности и гладкую отделку и позволяют полностью разматывать рулон без зацепов.
Основные классы проволочных соединений:
Шариковая связь обычно ограничивается золотыми и медными проводами и обычно требует нагрева. Для клиновой связи только золотая проволока требует нагрева. Клиновая связь может использовать провода большого диаметра или ленточные провода для применения в силовой электронике. Шариковая связь ограничивается проводами малого диаметра, подходящими для применения в межсоединениях.
В любом типе соединения проволока крепится с обоих концов с помощью комбинации направленного вниз давления, ультразвуковой энергии и в некоторых случаях тепла, чтобы сделать сварку . Тепло используется, чтобы сделать металл мягче. Правильное сочетание температуры и ультразвуковой энергии используется для того, чтобы максимизировать надежность и прочность соединения проволок. Если используется тепло и ультразвуковая энергия, процесс называется термозвуковым соединением.
При клиновом соединении проволока должна быть вытянута по прямой линии в соответствии с первой связью. Это замедляет процесс из-за времени, необходимого для выравнивания инструмента. Шаровое соединение, однако, создает свою первую связь в форме шара с проволокой, торчащей сверху, не имея направленного предпочтения. Таким образом, проволоку можно вытягивать в любом направлении, что делает процесс более быстрым.
Податливое соединение [12] передает тепло и давление через податливую или вдавливаемую алюминиевую ленту и поэтому применимо для соединения золотых проводов и выводов балки, которые были гальванопластически сформированы в кремниевую интегральную схему (известную как интегральная схема с выводами балки).
Существует множество проблем, когда дело доходит до производства и надежности проволочных соединений. Эти проблемы, как правило, являются функцией нескольких параметров, таких как системы материалов, параметры соединения и среда использования. Различные системы металла проволочного соединения- контактной площадки , такие как алюминий -алюминий (Al-Al), золото -алюминий (Au-Al) и медь -алюминий (Cu-Al), требуют различных производственных параметров и ведут себя по-разному в одинаковых средах использования.
Была проделана большая работа по характеристике различных металлических систем, обзору критических производственных параметров и выявлению типичных проблем с надежностью, которые возникают при соединении проводов. [13] [14] Когда дело доходит до выбора материала, применение и среда использования будут диктовать металлическую систему. Часто при принятии решения учитываются электрические свойства, механические свойства и стоимость. Например, для сильноточного устройства для космического применения может потребоваться алюминиевая проволочная связь большого диаметра в герметично закрытом керамическом корпусе. Если стоимость является большим ограничением, то может потребоваться избегать соединений золотыми проводами. Недавно была проделана некоторая работа по изучению соединений медными проводами в автомобильных приложениях. [15] Это лишь небольшая выборка, поскольку существует обширный объем работ по обзору и тестированию того, какие системы материалов лучше всего работают в различных приложениях.
С точки зрения производства параметры соединения играют решающую роль в формировании и качестве соединения. Такие параметры, как сила соединения, ультразвуковая энергия, температура и геометрия петли, и это лишь некоторые из них, могут оказывать существенное влияние на качество соединения. Существуют различные методы соединения проводов ( термозвуковое соединение , ультразвуковое соединение, термокомпрессионное соединение ) и типы соединений проводов ( шаровое соединение , клиновое соединение ), которые влияют на восприимчивость к производственным дефектам и проблемам надежности. Определенные материалы и диаметры проводов более практичны для мелкого шага или сложных макетов. Контактная площадка также играет важную роль, поскольку наложение металлизации и барьерного слоя(ов) будет влиять на формирование соединения.
Типичные виды отказов, возникающие из-за плохого качества соединения и производственных дефектов, включают: трещину в шейке соединения шара, трещину пятки (клиновые соединения), отрыв накладки, отслаивание накладки, чрезмерное сжатие и неправильное формирование интерметаллических соединений. Сочетание испытаний на растяжение/сдвиг проволочного соединения, неразрушающего контроля и разрушающего физического анализа (DPA) можно использовать для выявления проблем производства и качества.
Хотя производство проволочных соединений, как правило, фокусируется на качестве соединения, оно часто не учитывает механизмы износа, связанные с надежностью проволочных соединений. В этом случае понимание области применения и среды использования может помочь предотвратить проблемы с надежностью. Распространенными примерами сред, которые приводят к отказам проволочных соединений, являются повышенная температура, влажность и температурные циклы. [16]
При повышенных температурах чрезмерный рост интерметаллических соединений (IMC) может создавать хрупкие точки разрушения. Была проделана большая работа по характеристике образования интерметаллических соединений и старения для различных металлических систем. Это не проблема в металлических системах, где проволочная связь и контактная площадка выполнены из одного и того же материала, например, Al-Al. Это становится проблемой в разнородных металлических системах. Одним из наиболее известных примеров являются хрупкие интерметаллические соединения, образованные в золото-алюминиевых IMC, таких как пурпурная чума . Кроме того, проблемы, связанные с диффузией, такие как пустоты Киркендалла и пустоты Хорстинга, также могут приводить к нарушениям проволочной связи.
В условиях повышенной температуры и влажности коррозия может стать проблемой. Это наиболее распространено в системах металлов 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 распространено 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 (ЭМК) , выводной рамкой , матрицей, клеем 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 проволочных соединений.
Хотя существуют некоторые методы испытаний на растяжение и сдвиг проволочных соединений, такие как MIL-STD-883, ASTM F459-13 и JESD22-B116, [17] [18] [19] [20], они, как правило, применимы для качества производства, а не надежности. Они часто являются методами монотонного перенапряжения, где пиковая сила и местоположение разрушения являются критическими выходами. В этом случае повреждение является пластичным и не отражает некоторые механизмы износа, которые могут наблюдаться в условиях окружающей среды.
Испытание на растяжение проволоки прикладывает направленную вверх силу под проволокой, эффективно отрывая ее от подложки или матрицы. [21] Цель испытания, как описывает его MIL-STD-883 2011.9: «Измерить прочность связи, оценить распределение прочности связи или определить соответствие указанным требованиям прочности связи». Провод можно тянуть до разрушения, но существуют также неразрушающие варианты, при которых проверяется, может ли провод выдержать определенную силу. Методы неразрушающего испытания обычно используются для 100% тестирования критически важных для безопасности, высококачественных и дорогостоящих продуктов, избегая повреждения приемлемых испытанных проволочных соединений.
Термин «вытягивание провода» обычно относится к процессу вытягивания провода с помощью крючка, установленного на датчике вытягивания на тестере прочности соединения . Однако для стимулирования определенных режимов отказа провода можно обрезать, а затем вытянуть пинцетом, также установленным на датчике вытягивания на тестере прочности соединения. Обычно провода диаметром до 75 мкм (3 мил) классифицируются как тонкие провода. За пределами этого размера мы говорим об испытании толстых проводов.