Riešenia

SPOJOVANIE DRÔTOV

INFORMAČNÝ LIST ZNÁMOSTI

Čo je to spájanie drôtov?

Spájanie drôtmi je metóda, ktorou sa kus mäkkého kovového drôtu s malým priemerom pripevní k kompatibilnému kovovému povrchu bez použitia spájky, tavidla a v niektorých prípadoch aj s použitím tepla nad 150 stupňov Celzia. Medzi mäkké kovy patrí zlato (Au), meď (Cu), striebro (Ag), hliník (Al) a zliatiny ako paládium-striebro (PdAg) a ďalšie.

Pochopenie techník a procesov spájania drôtov pre aplikácie montáže mikroelektroniky.
Techniky/procesy klinového spájania: páskové, termosonické guľôčkové a ultrazvukové klinové spájanie
Spájanie drôtmi je metóda vytvárania prepojení medzi integrovaným obvodom (IO) alebo podobným polovodičovým zariadením a jeho puzdrom alebo vývodovým rámom počas výroby. V súčasnosti sa tiež bežne používa na zabezpečenie elektrických spojení v zostavách lítium-iónových batériových blokov. Spájanie drôtmi sa všeobecne považuje za najnákladovo efektívnejšiu a najflexibilnejšiu z dostupných technológií mikroelektronického prepojenia a používa sa vo väčšine polovodičových puzdier vyrábaných dnes. Existuje niekoľko techník spájania drôtmi, vrátane: Spájanie drôtmi termokompresiou:
Termokompresné spájanie drôtov (spájanie pravdepodobných povrchov (zvyčajne Au) pomocou upínacej sily s vysokými teplotami rozhrania, typicky vyššími ako 300 °C, za účelom vytvorenia zvaru) bolo pôvodne vyvinuté v 50. rokoch 20. storočia pre mikroelektronické prepojenia, avšak v 60. rokoch bolo rýchlo nahradené ultrazvukovým a termosonickým spájaním ako dominantnou technológiou prepojenia. Termokompresné spájanie sa dodnes používa pre špecifické aplikácie, ale výrobcovia sa mu vo všeobecnosti vyhýbajú kvôli vysokým (často škodlivým) teplotám rozhrania potrebným na vytvorenie úspešného spojenia. Ultrazvukové klinové spájanie drôtov:
V 60. rokoch 20. storočia sa dominantnou metódou prepojenia stalo ultrazvukové klinové spájanie drôtov. Aplikácia vysokofrekvenčných vibrácií (prostredníctvom rezonančného meniča) na spojovací nástroj so súčasnou upínacou silou umožnila zváranie hliníkových a zlatých drôtov pri izbovej teplote. Tieto ultrazvukové vibrácie pomáhajú odstraňovať kontaminanty (oxidy, nečistoty atď.) zo spájaných povrchov na začiatku spájacieho cyklu a podporujú rast intermetalických zlúčenín, aby sa spoj ďalej rozvíjal a posilňoval. Typické frekvencie pre spájanie sú 60 – 120 kHz. Technika ultrazvukového klinu má dve hlavné procesné technológie: Spájanie veľkých (ťažkých) drôtov pre drôty s priemerom > 100 µm Spájanie jemných (tenkých) drôtov pre drôty s priemerom < 75 µm Príklady typických cyklov ultrazvukového spájania nájdete tu pre jemný drôt a tu pre veľký drôt. Ultrazvukové klinové spájanie drôtov používa špecifický spájací nástroj alebo „klin“, zvyčajne vyrobený z karbidu volfrámu (pre hliníkový drôt) alebo karbidu titánu (pre zlatý drôt) v závislosti od procesných požiadaviek a priemerov drôtov; K dispozícii sú aj kliny s keramickými hrotmi pre rôzne aplikácie. Termosonické spájanie drôtov:
Tam, kde je potrebný dodatočný ohrev (zvyčajne pre zlatý drôt s teplotou spojovacích rozhraní v rozsahu 100 – 250 °C), sa tento proces nazýva termosonické spájanie drôtov. Toto má veľké výhody oproti tradičnému systému termokompresie, pretože sú potrebné oveľa nižšie teploty rozhrania (spomínalo sa spájanie Au pri izbovej teplote, ale v praxi je bez dodatočného tepla nespoľahlivé). Termosonické guľôčkové spájanie:
Ďalšou formou termosonického spájania drôtov je guľôčkové spájanie (pozri cyklus guľôčkového spájania tu). Táto metodika využíva keramický kapilárny spojovací nástroj namiesto tradičných klinových konštrukcií, aby kombinovala najlepšie vlastnosti termokompresného aj ultrazvukového spájania bez nevýhod. Termosonické vibrácie zabezpečujú, že teplota rozhrania zostane nízka, zatiaľ čo prvé prepojenie, tepelne stlačené guľôčkové spájanie, umožňuje umiestniť drôt a sekundárne spájanie v ľubovoľnom smere, nie v jednej línii s prvým spojom, čo je obmedzením pri ultrazvukovom spájaní drôtov. Pre automatickú výrobu vo veľkom objeme sú guľôčkové spájače podstatne rýchlejšie ako ultrazvukové/termosonické (klinové) spájače, vďaka čomu je termosonické guľôčkové spájanie dominantnou technológiou prepojenia v mikroelektronike za posledných viac ako 50 rokov. Lepenie pások:
Spájanie pások pomocou plochých kovových pások dominuje v oblasti rádiofrekvenčnej a mikrovlnnej elektroniky už desaťročia (páska poskytuje výrazné zlepšenie straty signálu [skin efekt] v porovnaní s tradičným okrúhlym drôtom). Malé zlaté pásky, zvyčajne široké do 75 µm a hrubé 25 µm, sa spájajú termosonickým procesom s veľkým plochým klinovým spájacím nástrojom. Hliníkové pásky so šírkou do 2 000 µm a hrúbkou 250 µm je možné spájať aj ultrazvukovým klinovým procesom, pretože sa zvýšila požiadavka na prepojenia s nižšou slučkou a vysokou hustotou.

Čo je to zlatý spojovací drôt?

Spájanie zlatým drôtom je proces, pri ktorom sa zlatý drôt pripevní k dvom bodom v zostave a vytvorí tak prepojenie alebo elektricky vodivú dráhu. Na vytvorenie bodov pripojenia pre zlatý drôt sa používa teplo, ultrazvuk a sila. Proces vytvorenia bodu pripojenia začína vytvorením zlatej guľôčky na hrote nástroja na spájanie drôtom, kapiláry. Táto guľôčka sa pritlačí na vyhrievaný povrch zostavy, pričom sa na ňu aplikuje sila špecifická pre danú aplikáciu a ultrazvukový pohyb s frekvenciou 60 kHz - 152 kHz pomocou nástroja. Po vytvorení prvého spojenia sa s drôtom bude manipulovať prísne kontrolovaným spôsobom, aby sa vytvoril vhodný tvar slučky pre geometriu zostavy. Druhé spojenie, často označované ako steh, sa potom vytvorí na druhom povrchu stlačením drôtu a použitím svorky na pretrhnutie drôtu v mieste spojenia.

Zlaté drôty ponúkajú metódu prepojenia v rámci puzdier, ktorá je vysoko elektricky vodivá, takmer o rád vyššiu ako niektoré spájky. Okrem toho majú zlaté drôty v porovnaní s inými drôtovými materiálmi vysokú oxidačnú toleranciu a sú mäkšie ako väčšina ostatných, čo je nevyhnutné pre citlivé povrchy.
Proces sa môže líšiť aj v závislosti od potrieb montáže. Pri citlivých materiáloch je možné umiestniť na druhú spojovaciu plochu zlatú guľôčku, aby sa vytvorilo silnejšie aj „mäkšie“ spojenie, aby sa zabránilo poškodeniu povrchu súčiastky. V stiesnených priestoroch je možné použiť jednu guľôčku ako východiskový bod pre dve spojenia, čím sa vytvorí spojenie v tvare „V“. Ak je potrebné, aby bolo drôtené spojenie pevnejšie, je možné umiestniť guľôčku na vrch stehu, aby sa vytvorilo bezpečnostné spojenie, čím sa zvýši stabilita a pevnosť drôtu. Mnohé rôzne aplikácie a variácie drôtového spájania sú takmer neobmedzené a možno ich dosiahnuť použitím automatizovaného softvéru v systémoch drôtového spájania Palomar.