वायर बॉन्डिंग की व्याख्या – एक व्यापक मार्गदर्शिका

माइक्रोइलेक्ट्रॉनिक्स में, वायर बॉन्डिंग प्रमुख प्रक्रियाओं में से एक है। कई वर्षों से, निर्माता इस तकनीक का उपयोग दो उद्देश्यों के लिए करते आ रहे हैं। यह छोटे अर्धचालक डाई और उनकी बाहरी पैकेजिंग के बीच एक निर्बाध विद्युत और यांत्रिक संबंध बनाता है।

फ्लिप चिप्स और उन्नत 3D पैकेजिंग जैसे विकल्पों से कड़ी प्रतिस्पर्धा है। हालाँकि, वायर बॉन्डिंग शीर्ष-स्तरीय इंटरकनेक्ट तकनीक के रूप में हावी है।

उदाहरण के लिए, यह वैश्विक स्तर पर 75% से अधिक डाई-टू-पैकेज कनेक्शनों के लिए जिम्मेदार है।

आईसी वायर बॉन्डिंग, पीसीबी वायर बॉन्डिंग और सेमीकंडक्टर वायर बॉन्डिंग को समझने के लिए, आपको वायर बॉन्डिंग प्रक्रिया, बॉन्ड वायर सामग्री और भविष्य के रुझानों की मूल बातें समझने की आवश्यकता है।

इसके बाद, यह आलेख वायर बॉन्डिंग की एक व्यापक जांच प्रदान करता है, जिसमें निम्नलिखित पर ध्यान केंद्रित किया गया है:

•  तकनीक

•  सामग्री

•  अनुप्रयोगों

•  लागत

•  सामान्य मुद्दे

वायर बॉन्डिंग क्या है?

वायर बॉन्डिंग वह प्रक्रिया है जिसके द्वारा अर्धचालक उपकरणों को विद्युत रूप से एक पैकेज, सब्सट्रेट और प्रिंटेड सर्किट बोर्ड से जोड़ा जाता है। इस प्रक्रिया में महीन तारों का उपयोग किया जाता है। ये बॉन्डिंग तार आमतौर पर सोने, एल्यूमीनियम और तांबे से बने होते हैं। इन्हें दबाव, ऊष्मा और अल्ट्रासोनिक ऊर्जा के संयोजन से जोड़ा जाता है।

वायर बॉन्डिंग के मुख्य लाभों में शामिल हैं:

वायर बॉन्डिंग बहुमुखी है

यह सामग्री, पैकेज प्रकार और डिवाइस ज्यामिति की एक विस्तृत श्रृंखला को समायोजित करता है, जिससे यह लगभग किसी भी अनुप्रयोग के लिए उपयुक्त हो जाता है। 

आसानी से स्केलेबल

यह उच्च-मात्रा वाले आईसी वायर-बॉन्डिंग उत्पादन का समर्थन करता है, साथ ही कम-मात्रा वाले विशेष परियोजनाओं के लिए भी व्यवहार्य है। 

विश्वसनीय विनिर्माण

सही ढंग से क्रियान्वित किए जाने पर, बंधित तार कठोर वातावरणों को सहन कर सकते हैं, जिनमें ऑटोमोटिव, एयरोस्पेस और चिकित्सा उपकरण की स्थितियां शामिल हैं। 

किफायती प्रौद्योगिकी

फ्लिप-चिप समाधानों की तुलना में, वायर बॉन्डिंग अपनी सरल आवश्यकताओं और कम उपकरण आवश्यकताओं के कारण अधिक किफायती इंटरकनेक्ट विकल्प प्रदान करता है।

यद्यपि यह अवधारणा सरल प्रतीत होती है - बस एक महीन तार चिप पैड को पैकेज पैड से जोड़ता है - लेकिन वास्तविक तार-बंधन प्रक्रिया के लिए सटीक उपकरण, स्वच्छ वातावरण और सावधानीपूर्वक सामग्री का चयन आवश्यक है।

वायर बॉन्डिंग प्रौद्योगिकियों के प्रकार

वायर बॉन्डिंग तकनीकों की तीन प्राथमिक श्रेणियां हैं, जिनमें से प्रत्येक का उपयोग अलग-अलग है:

बॉल बॉन्डिंग

सबसे आम तार बंधन प्रक्रिया बॉल बॉन्डिंग है, खासकर सोने और तांबे के तार बंधन अनुप्रयोगों में। इसमें तार के सिरे पर एक गोलाकार, मुक्त वायु गेंद का निर्माण होता है, जिसे फिर थर्मोसोनिक प्रक्रिया में ऊष्मा, अल्ट्रासोनिक ऊर्जा और दबाव के अनुप्रयोग द्वारा बॉन्ड पैड पर दबाया जाता है।

बॉल बॉन्ड के साथ सोने के तार की बॉन्डिंग का उपयोग नया नहीं है, क्योंकि सोना एक बहुत अच्छा सुचालक है और इसमें उच्च संक्षारण प्रतिरोध होता है। तांबे के बॉन्डिंग तार, विशेष रूप से बिजली उपकरणों के साथ, एक सस्ते और अधिक उच्च-प्रदर्शन विकल्प के रूप में लोकप्रियता प्राप्त कर रहे हैं। बॉल बॉन्ड उच्च-गति वाले और गैर-दिशात्मक होते हैं, जो उन्हें उच्च-गति वाले उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स आईसी तार बॉन्डिंग के लिए उपयुक्त बनाते हैं।

वेज बॉन्डिंग

वेज बॉन्डिंग में, बॉन्डिंग तार को पैड पर सीधे दबाने के लिए एक पच्चर के आकार के उपकरण का उपयोग किया जाता है। ऑटोमोटिव पावर उपकरणों और एयरोस्पेस प्रणालियों के लिए सेमीकंडक्टर वायर बॉन्डिंग जैसे अनुप्रयोगों में एल्यूमीनियम तारों के साथ इस तकनीक का व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

यह फ़ाइन-पिच क्षमता प्रदान करता है, जिससे 15-25 माइक्रोमीटर तक के छोटे आयाम प्राप्त होते हैं। यह सीधे चिप-ऑन-बोर्ड असेंबली के लिए पीसीबी वायर बॉन्डिंग में आम है। एल्युमीनियम वेज बॉन्ड किफ़ायती होते हैं, लेकिन पैड स्पेसिंग की आवश्यकताओं के कारण सीमित होते हैं।

उन्नत विविधताएँ

थर्मोकम्प्रेशन बॉन्डिंग केवल ऊष्मा और दबाव का उपयोग करती है और धीमी होती है, लेकिन उच्च विश्वसनीयता प्रदान करती है। इसके विपरीत, रिबन बॉन्डिंग में उच्च-धारा या आरएफ अनुप्रयोगों के लिए गोल तारों के बजाय चपटे रिबन का उपयोग किया जाता है। वहीं, रिवर्स बॉन्डिंग में तार को पैड से जोड़ने से पहले उस पर एक स्टड लगाया जाता है। अंत में, लेज़र-सहायता प्राप्त और फोटोनिक बॉन्डिंग, MEMS, LED और फोटोनिक उपकरणों के लिए उन्नत विधियाँ हैं।

तार बंधन सामग्री

बंधन तार का चुनाव चालकता, यांत्रिक शक्ति, लागत और विश्वसनीयता आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

सामान्य बॉन्ड तार सामग्री में शामिल हैं:

सोने का बंधन तार

 यह सोने की बॉन्डिंग और आईसी तार बॉन्डिंग के लिए सबसे पारंपरिक सामग्री है, जो उत्कृष्ट संक्षारण प्रतिरोध और चालकता प्रदान करती है। महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों के लिए अर्धचालक तार बॉन्डिंग में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है।

एल्युमिनियम बॉन्ड तार

मुख्य रूप से वेज बॉन्डिंग में प्रयुक्त होने वाला यह उपकरण लागत प्रभावी और हल्का है, जो इसे पावर मॉड्यूल और पीसीबी वायर बॉन्डिंग के लिए आदर्श बनाता है।

तांबे के बंधन तार

 सोने के कम लागत वाले विकल्प के रूप में प्रभुत्व प्राप्त कर रहा है, जो बेहतर विद्युत और तापीय चालकता प्रदान करता है। हालाँकि, ऑक्सीकरण को रोकने के लिए इसे Pd-लेपित तांबे के बंधन तार जैसे सुरक्षात्मक आवरणों की आवश्यकता होती है।

सिल्वर बॉन्ड तार

हालाँकि यह कम प्रचलित है, लेकिन इसकी चालकता सबसे ज़्यादा है। सिल्वर बॉन्ड तार उन विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए उपयुक्त है जिनमें कम प्रतिरोध वाले बॉन्डेड तारों की आवश्यकता होती है।

मिश्र धातु और लेपित तार

पीडी-लेपित तांबे के बंधन तार तांबे की चालकता को पैलेडियम के ऑक्सीकरण प्रतिरोध के साथ जोड़ते हैं। द्विधात्विक और मिश्रधातु बंधन तार शक्ति और तापीय स्थिरता में सुधार करते हैं। ये विविधताएँ उच्च-तापमान और उच्च-आवृत्ति वाले अर्धचालक तारों के बंधन के लिए महत्वपूर्ण हैं।

तार का व्यास और ज्यामिति

17-25 माइक्रोमीटर जैसे पतले तारों को फ़ाइन-पिच आईसी वायर बॉन्डिंग में शामिल किया जाता है, जबकि 100-300 माइक्रोमीटर के मोटे तारों को, रिबन के साथ, और भी ज़्यादा करंट वाले अनुप्रयोगों के लिए इस्तेमाल किया जाता है। लूप की ऊँचाई, हील एंगल और बॉन्ड वायर की ज्यामिति गुणवत्ता को काफ़ी प्रभावित करती है।

वायर बॉन्डिंग उपकरण और औजार

सटीक तार बंधन प्रक्रियाओं को निष्पादित करने के लिए, विशेष उपकरण आवश्यक है:

•  वायर बॉन्डर्स: पूर्णतः स्वचालित, अर्ध-स्वचालित और मैनुअल मशीनें

•  केशिकाओं: सोने के तार संबंध के लिए उपयुक्त

•  वेज टूल्स: एल्यूमीनियम और तांबे के तार संबंध के लिए प्रभावी

आधुनिक मशीनें अल्ट्रासोनिक बल, तापमान और बंधन समय का सटीक नियंत्रण प्रदान करती हैं, जो लघुकृत अर्धचालक तार बंधन के लिए निर्णायक है।

वायर बॉन्डिंग प्रक्रिया के मूल सिद्धांत

वायर बॉन्डिंग प्रक्रिया में कई क्रमिक चरण होते हैं जिन्हें सुरक्षित, सुचालक और यांत्रिक रूप से स्थिर इंटरकनेक्ट बनाने के लिए डिज़ाइन किया गया है। ये चरण अधिकांश अर्धचालक वायर बॉन्डिंग अनुप्रयोगों में सामान्य हैं:

डाई प्लेसमेंट

सबसे पहले, अर्धचालक डाई को चिपकाने वाले पदार्थ, सोल्डर या इपॉक्सी का उपयोग करके पैकेज सब्सट्रेट या पीसीबी से जोड़ा जाता है।

तार चयन

बॉन्डिंग तार का चुनाव - चाहे वह सोने का तार बॉन्डिंग हो, तांबे का तार बॉन्डिंग हो, या एल्युमीनियम का - लागत, विद्युत और तापीय आवश्यकताओं पर निर्भर करता है।

टूल सेटअप

विशेष केशिकाएं और वेज उपकरण बंधन चक्र के दौरान तार का मार्गदर्शन करते हैं।

पहला बंधन निर्माण

गोल्ड बॉन्डिंग में, तार की नोक को इलेक्ट्रिक फ्लेम-ऑफ (EFO) का उपयोग करके एक मुक्त-वायु गेंद के रूप में बनाया जाता है, फिर अल्ट्रासोनिक कंपन और ऊष्मा द्वारा पैड पर जोड़ा जाता है। वेज बॉन्डिंग में, तार को सीधे धकेलकर वेज बॉन्ड बनाया जाता है।

लूप गठन

तार को दूसरे कनेक्शन बिंदु तक बढ़ाया जाता है, जिससे एक मेहराब के आकार का लूप बनता है। जुड़े हुए तार के लूप की ज्यामिति विद्युत प्रदर्शन की गुणवत्ता को सीधे प्रभावित करती है।

दूसरा बंधन निर्माण

बांड तार का दूसरा सिरा लक्ष्य सब्सट्रेट और पैकेज पैड से वेल्ड किया जाता है।

निरिक्षण एवं परिक्षण

इसमें तीन परीक्षण शामिल हैं:

•  पुल परीक्षण

•  कतरनी परीक्षण

•  दृश्य निरीक्षण

ये तीन परीक्षण यह सुनिश्चित करते हैं कि तार जोड़ने की प्रक्रिया MIL-STD-883 जैसे उद्योग मानकों का पालन करती है।

प्रत्येक चरण की परिशुद्धता, उपज निर्धारित करती है, विशेष रूप से उच्च घनत्व वाले आईसी तार बंधन और पीसीबी तार बंधन के लिए, जहां पैड का आकार 40 माइक्रोमीटर जितना छोटा होता है और पिच 70 माइक्रोन से कम होती है।

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इलेक्ट्रॉनिक्स में वायर बॉन्डिंग के अनुप्रयोग

विभिन्न उद्योगों में वायर बॉन्डिंग के अनुप्रयोग व्यापक हैं:

स्मार्टफोन, लैपटॉप और पहनने योग्य उपकरणों सहित उपभोक्ता इलेक्ट्रॉनिक्स में आईसी वायर बॉन्डिंग महत्वपूर्ण है। कॉपर वायर बॉन्डिंग का उपयोग ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स जैसे पावर मॉड्यूल, सेंसर और ईसीयू में भी आमतौर पर किया जाता है।

इसके अलावा, एयरोस्पेस और रक्षा अनुप्रयोगों, जैसे रडार, उपग्रह और सैन्य इलेक्ट्रॉनिक्स, में उच्च गुणवत्ता वाले बॉन्डिंग तारों की आवश्यकता होती है। इसके अतिरिक्त, पेसमेकर, श्रवण यंत्र और प्रत्यारोपण जैसे चिकित्सा उपकरणों के लिए भी सेमीकंडक्टर वायर बॉन्डिंग की सटीकता की आवश्यकता होती है।

इसके अतिरिक्त, ऑप्टोइलेक्ट्रॉनिक्स और एल.ई.डी., पी.सी.बी. वायर बॉन्डिंग का उपयोग करते हैं, जो चिप-ऑन-बोर्ड एल.ई.डी. एरे और सी.एम.ओ.एस. इमेज सेंसर में आवश्यक है।

अंत में, SiC और GaN उपकरणों का उपयोग करने वाले विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स भी कुशल विद्युत प्रबंधन को सक्षम करने के लिए मोटे तांबे के बंधन तार के उपयोग पर अत्यधिक निर्भर हैं।

बॉन्ड वायर और वायर बॉन्डिंग में विश्वसनीयता की चुनौतियाँ

इस क्षेत्र में प्रगति के बावजूद, बॉन्डेड तारों की गुणवत्ता का मुद्दा अभी भी एक चुनौती बना हुआ है। ये बॉन्ड विफलताएँ हैं, जिनकी विशेषता बॉन्ड का उठना, एड़ी में दरारें पड़ना और तापीय चक्रण के दौरान टूटना है।

इसके अलावा, सामग्री की समस्याएँ Au-Al इंटरमेटेलिक यौगिकों (IMCs), तांबे के ऑक्सीकरण और चांदी के धूमिल होने के कारण होती हैं। इसके अलावा, ज्यामितीय तनाव तब स्पष्ट होते हैं जब बॉन्ड वायर लूप्स के अनुचित डिज़ाइन के कारण हील स्ट्रेस और दरार प्रसार बढ़ जाता है।

वायर बॉन्डिंग में लागत संबंधी विचार

बंधन तार सामग्री और तंत्र का चयन करने के लिए उपयोग किए जाने वाले अनिवार्य मानदंड लागत हैं:

सोने के तार की बॉन्डिंग विश्वसनीय और महंगी भी होती है। तांबे के तार की बॉन्डिंग, आईसी तार की बॉन्डिंग के बड़े पैमाने पर उत्पादन में उल्लेखनीय कमी लाती है। एल्युमीनियम बॉन्डिंग तार, पावर इलेक्ट्रॉनिक्स और पीसीबी तार की बॉन्डिंग का एक कम लागत वाला तरीका है।

मशीनों में निवेश की एक विस्तृत श्रृंखला है: अर्ध-स्वचालित बॉन्डर्स की कीमत हजारों डॉलर में होती है, तथा पूर्णतः स्वचालित मशीनों की कीमत लाखों डॉलर में होती है।

निष्कर्ष

वायर बॉन्डिंग उन तकनीकों में से एक है जो 1960 से अपरिहार्य रही है। गोल्ड बॉन्डिंग, कॉपर वायर बॉन्डिंग और पीसीबी वायर बॉन्डिंग में वायर बॉन्डिंग प्रक्रिया बहुत महत्वपूर्ण है।

हालाँकि फ्लिप-चिप और आधुनिक इंटरकनेक्ट्स का विकास हो चुका है, फिर भी बॉन्डिंग वायर सेमीकंडक्टर वायर बॉन्डिंग के केंद्र में रहेंगे। सामग्री, स्वचालन और डिज़ाइन में वर्तमान प्रगति के साथ, वायर बॉन्डिंग अगली पीढ़ी के इलेक्ट्रॉनिक्स की ज़रूरतों को पूरा करने में सक्षम होगी।