En microelectrónica, La unión por cable es uno de los procesos principales. Durante muchos años, los fabricantes han utilizado esta técnica con dos propósitos: establecer una conexión eléctrica y mecánica perfecta entre las diminutas matrices semiconductoras y su encapsulado externo.
Existe una fuerte competencia con alternativas como los chips invertidos y el encapsulado 3D avanzado. Sin embargo, la unión por cable domina como la tecnología de interconexión de mayor nivel.
Por ejemplo, es responsable de más del 75% de todas las conexiones de matriz a paquete a nivel mundial.
Para comprender la unión de cables de CI, la unión de cables de PCB y la unión de cables de semiconductores, debe comprender los conceptos básicos del proceso de unión de cables, los materiales de los cables de unión y las tendencias futuras.
A continuación, este artículo ofrece un análisis exhaustivo de la unión por cable, centrándose en:
• Técnicas
• Materiales
• Aplicaciones
• Costo
• Problemas Comunes
¿Qué es la unión de cables?
La unión por cable es el proceso mediante el cual los dispositivos semiconductores se conectan eléctricamente a un encapsulado, sustrato y placa de circuito impreso. Este proceso utiliza cables finos. Estos cables de unión generalmente están hechos de oro, aluminio y cobre. Se unen mediante presión combinada con calor y energía ultrasónica.
Las principales ventajas de la unión por cable incluyen:
La unión por cable es versátil
Se adapta a una amplia variedad de materiales, tipos de paquetes y geometrías de dispositivos, lo que lo hace adecuado para prácticamente cualquier aplicación.
Fácilmente escalable
Admite la producción de unión de cables de circuitos integrados de gran volumen y, al mismo tiempo, es viable para proyectos especializados de bajo volumen.
Fabricación confiable
Cuando se ejecutan correctamente, los cables unidos resisten entornos hostiles, incluidas las condiciones de los automóviles, la industria aeroespacial y los dispositivos médicos.
Tecnología asequible
En comparación con las soluciones de chip invertido, la unión por cable proporciona una opción de interconexión más asequible debido a sus requisitos más simples y necesidades reducidas de equipos.
Aunque el concepto parece simple (solo un cable fino que une una almohadilla de chip a una almohadilla de paquete), el proceso real de unión por cable exige herramientas precisas, un entorno limpio y una selección cuidadosa de los materiales.
Tipos de tecnologías de unión por cable
Hay tres categorías principales de técnicas de unión por cable, cada una con diferentes casos de uso:
Unión de bolas
El proceso más común de unión por hilo es la unión por bolas, especialmente en aplicaciones de unión por hilo de oro y cobre. Consiste en la creación de una esfera de aire libre en el extremo del hilo, que luego se presiona sobre la almohadilla de unión mediante la aplicación de calor, energía ultrasónica y presión en el proceso termosónico.
El uso de la unión de hilos de oro con enlaces de bola no es nuevo, ya que el oro es un excelente conductor con alta resistencia a la corrosión. El cable de cobre está ganando popularidad como una alternativa más económica y de mayor rendimiento, especialmente en dispositivos de potencia. Los enlaces de bola son de alta velocidad y no direccionales, lo que los hace adecuados para la unión de circuitos integrados (CI) de electrónica de consumo de alta velocidad.
Unión en cuña
La unión por cuña utiliza una herramienta en forma de cuña para presionar el cable de unión directamente contra la almohadilla. Esta técnica se utiliza ampliamente con cables de aluminio en aplicaciones como la unión de cables de semiconductores para dispositivos de potencia de automoción y sistemas aeroespaciales.
Ofrece capacidad de paso fino, logrando dimensiones de tan solo 15-25 μm. Es común en la unión por cable de PCB para el ensamblaje directo de chip a placa. Las uniones por cuña de aluminio son rentables, pero están limitadas por los requisitos de espaciado de las almohadillas.
Variaciones avanzadas
La unión por termocompresión utiliza únicamente calor y presión, es más lenta, pero ofrece alta fiabilidad. En cambio, la unión por cinta utiliza cintas planas en lugar de cables redondos para aplicaciones de alta corriente o RF. Por otro lado, la unión inversa coloca un perno en la almohadilla antes de unir el cable. Finalmente, la unión asistida por láser y fotónica representan métodos avanzados para MEMS, LED y dispositivos fotónicos.
Materiales para la unión de cables
La elección del cable de unión depende de la conductividad, la resistencia mecánica, el costo y los requisitos de confiabilidad.
Los materiales de cable de unión más comunes incluyen:
Alambre de unión de oro
Este es el material más tradicional para la unión de oro y cables de circuitos integrados, ofreciendo excelente resistencia a la corrosión y conductividad. Sigue siendo ampliamente utilizado en la unión de cables de semiconductores para aplicaciones críticas.
Alambre de unión de aluminio
Se utiliza principalmente en la unión por cuña, es rentable y liviano, lo que lo hace ideal para módulos de potencia y unión de cables de PCB.
Alambre de unión de cobre
Se está consolidando como una alternativa más económica al oro, ofreciendo una conductividad eléctrica y térmica superior. Sin embargo, requiere recubrimientos protectores, como el alambre de cobre recubierto de Pd, para prevenir la oxidación.
Alambre de plata
Aunque es menos común, ofrece la mayor conductividad. El alambre de plata es adecuado para aplicaciones específicas que requieren alambres de baja resistencia.
Alambres de aleación y revestidos
El cable de unión de cobre recubierto de Pd combina la conductividad del cobre con la resistencia a la oxidación del paladio. Los cables de unión bimetálicos y aleados mejoran la resistencia y la estabilidad térmica. Estas variaciones son vitales para la unión de cables semiconductores de alta temperatura y alta frecuencia.
Diámetro y geometría del alambre
Se incorporan cables delgados, como de 17 a 25 μm, en la unión de cables de circuitos integrados de paso fino, mientras que se utilizan cables más gruesos, de 100 a 300 μm, con cintas, para aplicaciones de corriente aún mayor. La altura del bucle, el ángulo de talón y la geometría del cable de unión influyen significativamente en la calidad.
Equipos y herramientas para la unión de cables
Para ejecutar procesos precisos de unión por cable, es esencial contar con un equipo especializado:
• Soldadores de cables:Máquinas totalmente automáticas, semiautomáticas y manuales.
• Capilares: Adecuado para la unión de hilos de oro.
• Herramientas de cuña:Eficaz para la unión de cables de aluminio y cobre.
Las máquinas modernas proporcionan un control preciso de la fuerza ultrasónica, la temperatura y el tiempo de unión, lo que es decisivo para la unión de cables semiconductores miniaturizados.
Fundamentos del proceso de unión por cable
El proceso de unión por cable consta de varios pasos secuenciales diseñados para crear interconexiones seguras, conductivas y mecánicamente estables. Estos pasos son comunes en la mayoría de las aplicaciones de unión por cable de semiconductores:
Colocación del troquel
En primer lugar, la matriz semiconductora se adhiere a un sustrato de paquete o PCB mediante adhesivos, soldadura o epoxi.
Selección de cables
La elección del cable de unión (ya sea de oro, de cobre o de aluminio) depende del coste y de los requisitos eléctricos y térmicos.
Configuración de herramientas
Capilares especializados y herramientas de cuña guían el alambre durante el ciclo de unión.
Formación del primer enlace
En la unión con oro, la punta del alambre se forma en una bola de aire libre mediante apagado eléctrico (EFO), y luego se une a la almohadilla mediante vibración ultrasónica y calor. En la unión por cuña, el alambre se empuja directamente para formar una unión en cuña.
Formación de bucle
El cable se extiende hasta el segundo punto de conexión, formando un bucle arqueado. La geometría del bucle de cable unido influye directamente en la calidad del rendimiento eléctrico.
Formación del segundo enlace
El segundo extremo del cable de unión se suelda al sustrato de destino y al paquete.
Inspección y prueba
Esto implica tres pruebas:
• Pruebas de tracción
• Pruebas de corte
• Inspecciones visuales
Estas tres pruebas garantizan que el proceso de unión de cables cumpla con los estándares de la industria como MIL-STD-883.
La precisión de cada paso determina el rendimiento, particularmente para la unión de cables de circuitos integrados (CI) y de placas de circuito impreso (PCB) de alta densidad, donde el tamaño de las almohadillas es tan pequeño como 40 micrómetros con pasos inferiores a 70 μm.
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Aplicaciones de la unión por cables en electrónica
Las aplicaciones de unión por cable son amplias en diferentes industrias:
La unión de circuitos integrados (CI) es importante en la electrónica de consumo, como smartphones, portátiles y wearables. La unión de cables de cobre también se utiliza comúnmente en electrónica automotriz, como módulos de potencia, sensores y ECU.
Además, se necesitan cables de unión de alta calidad en aplicaciones aeroespaciales y de defensa, como radares, satélites y electrónica militar. Asimismo, dispositivos médicos como marcapasos, audífonos e implantes requieren la precisión de la unión de cables semiconductores.
Además, la optoelectrónica y los LED utilizan la unión de cables de PCB, necesaria en las matrices de LED con chip en placa y en los sensores de imagen CMOS.
Por último, la electrónica de potencia que utiliza dispositivos de SiC y GaN también depende en gran medida del uso de un cable de unión de cobre grueso para permitir una gestión eficiente de la energía.
Desafíos de confiabilidad en cables de unión y uniones por cable
La calidad de los cables unidos sigue siendo un problema a pesar de los avances en este ámbito. Se trata de fallos de unión que se caracterizan por desprendimiento de la unión, grietas en el talón y roturas durante el ciclo térmico.
Además, los problemas del material se deben a los compuestos intermetálicos Au-Al (IMC), la oxidación del cobre y el deslustre de la plata. Además, las tensiones geométricas son evidentes cuando la tensión de talón y la propagación de grietas se ven exacerbadas por el diseño inadecuado de los bucles de alambre de unión.
Consideraciones de costos en la unión por cable
Los criterios de selección más importantes para los materiales y mecanismos de los cables de unión son el coste:
La unión con hilo de oro también es confiable y costosa. La unión con hilo de cobre reduce significativamente la producción en masa de circuitos integrados. El hilo de aluminio es una opción económica para la unión de electrónica de potencia y PCB.
Existe una amplia gama de inversiones en máquinas: las soldadoras semiautomáticas cuestan decenas de miles de dólares y las máquinas totalmente automatizadas cuestan cientos de miles de dólares.
Conclusión
La unión por cable es una de las tecnologías que ha sido indispensable desde 1960. El proceso de unión por cable es muy importante en la unión de oro, la unión por cable de cobre y la unión por cable de PCB.
Aunque han surgido el chip invertido y las interconexiones modernas, los cables de unión seguirán siendo fundamentales en la unión de semiconductores. Gracias a los avances actuales en materiales, automatización y diseño, la unión de cables podrá satisfacer los requisitos de la próxima generación de electrónica.
