In de micro-elektronica, Wire bonding is een van de belangrijkste processen. Fabrikanten gebruiken deze techniek al jaren voor twee doeleinden. Het zorgt voor een naadloze elektrische en mechanische verbinding tussen kleine halfgeleiderchips en hun externe behuizing.
Er is hevige concurrentie van alternatieven zoals flipchips en geavanceerde 3D-verpakkingen. Wire bonding domineert echter als de meest geavanceerde interconnecttechnologie.
Het is bijvoorbeeld verantwoordelijk voor ruim 75% van alle 'die-to-package'-verbindingen wereldwijd.
Om IC-draadverbinding, PCB-draadverbinding en halfgeleiderdraadverbinding te begrijpen, moet u de basisprincipes van het draadverbindingsproces, de verbindingsdraadmaterialen en toekomstige trends begrijpen.
Vervolgens biedt dit artikel een uitgebreid onderzoek naar draadverbindingen, met de nadruk op:
• technieken
• Materialen
• Toepassingen
• Kosten
• Gebruikelijke problemen
Wat is draadverbinding?
Wire bonding is het proces waarbij halfgeleidercomponenten elektrisch worden verbonden met een behuizing, substraat en printplaat. Dit proces maakt gebruik van fijne draden. Deze bondingdraden zijn over het algemeen gemaakt van goud, aluminium en koper. Ze worden bevestigd met behulp van druk in combinatie met warmte en ultrasone energie.
De belangrijkste voordelen van draadverlijming zijn:
Draadverlijming is veelzijdig
Het is geschikt voor een breed scala aan materialen, behuizingstypen en apparaatgeometrieën, waardoor het geschikt is voor vrijwel elke toepassing.
Gemakkelijk schaalbaar
Het ondersteunt de productie van IC-draadverbindingen in grote volumes, maar is ook geschikt voor gespecialiseerde projecten in kleine volumes.
Betrouwbare productie
Als de gelijmde draden correct worden gebruikt, zijn ze bestand tegen zware omstandigheden, zoals in de automobielindustrie, de luchtvaart en bij medische apparatuur.
Betaalbare technologie
Vergeleken met flip-chipoplossingen biedt wire bonding een goedkopere verbindingsoptie vanwege de eenvoudigere vereisten en de verminderde apparatuurbehoefte.
Hoewel het concept eenvoudig lijkt (gewoon een dunne draad die een chippad met een verpakkingspad verbindt), vereist het daadwerkelijke wirebondingproces nauwkeurige gereedschappen, een schone omgeving en een zorgvuldige materiaalkeuze.
Soorten draadverbindingstechnologieën
Er zijn drie primaire categorieën draadverbindingstechnieken, elk met verschillende toepassingsgevallen:
Balbinding
Het meest voorkomende draadverbindingsproces is ball bonding, met name in toepassingen met goud- en koperdraad. Hierbij wordt een bolvormige, luchtvrije bal aan het uiteinde van de draad gecreëerd, die vervolgens door middel van warmte, ultrasone energie en druk op de verbindingspad wordt gedrukt in het thermosone proces.
Het gebruik van gouddraadverbindingen met ball bonds is niet nieuw, aangezien goud een zeer goede geleider is met een hoge corrosiebestendigheid. Koperen bondingdraad wint aan populariteit als een goedkoper en krachtiger alternatief, vooral bij vermogensapparaten. Ball bonds zijn snel en richtingloos, waardoor ze geschikt zijn voor het verbinden van IC's met hoge snelheid in consumentenelektronica.
Wigverbinding
Bij wedge bonding wordt een wigvormig gereedschap gebruikt om de bondingdraad direct tegen de pad te drukken. Deze techniek wordt veel gebruikt met aluminiumdraden in toepassingen zoals het verbinden van halfgeleiderdraden voor elektrische apparaten in de automobielindustrie en lucht- en ruimtevaartsystemen.
Het biedt mogelijkheden voor een fijne spoed en bereikt afmetingen van slechts 15–25 μm. Het wordt veel gebruikt bij PCB-draadverbindingen voor directe chip-op-board-assemblage. Aluminium wigverbindingen zijn kosteneffectief, maar worden beperkt door de vereisten voor de afstand tussen de pads.
Geavanceerde variaties
Thermocompressiebonding gebruikt alleen warmte en druk en is langzamer, maar biedt een hoge betrouwbaarheid. Ribbon bonding daarentegen gebruikt platte linten in plaats van ronde draden voor toepassingen met hoge stroomsterkte of RF. Reverse bonding plaatst een stift op de pad voordat de draad eraan wordt verbonden. Tot slot vertegenwoordigen lasergeassisteerde en fotonische bonding geavanceerde methoden voor MEMS, LED's en fotonische apparaten.
Draadverbindingsmaterialen
De keuze van de verbindingsdraad hangt af van de geleidbaarheid, mechanische sterkte, kosten en betrouwbaarheidseisen.
Veelgebruikte materialen voor verbindingsdraden zijn:
Gouden verbindingsdraad
Dit is het meest traditionele materiaal voor goudbinding en IC-draadbinding, met uitstekende corrosiebestendigheid en geleidbaarheid. Het wordt nog steeds veel gebruikt voor het verbinden van halfgeleiderdraden voor kritische toepassingen.
Aluminium verbindingsdraad
Het wordt voornamelijk gebruikt voor wigverbindingen, is kosteneffectief en lichtgewicht en daarom ideaal voor vermogensmodules en PCB-draadverbindingen.
Koperen verbindingsdraad
Het wint aan populariteit als goedkoper alternatief voor goud, met superieure elektrische en thermische geleidbaarheid. Het vereist echter beschermende coatings, zoals Pd-gecoate koperen verbindingsdraad, om oxidatie te voorkomen.
Zilverbindingsdraad
Hoewel minder gebruikelijk, biedt het de hoogste geleidbaarheid. Zilververbindingsdraad is geschikt voor nichetoepassingen die laagohmige verbindingsdraden vereisen.
Legering en gecoate draden
Pd-gecoate koperen bondingdraad combineert de geleidbaarheid van koper met de oxidatiebestendigheid van palladium. Bimetaal- en gelegeerde bondingdraden verbeteren de sterkte en thermische stabiliteit. Deze variaties zijn essentieel voor het bonden van halfgeleiderdraden bij hoge temperaturen en hoge frequenties.
Draaddiameter en -geometrie
Dunne draden van bijvoorbeeld 17-25 μm worden gebruikt voor IC-draadverbindingen met een fijne spoed, terwijl dikkere draden van 100-300 μm, met linten, worden gebruikt voor toepassingen met nog hogere stromen. De lushoogte, de hielhoek en de geometrie van de verbindingsdraad hebben een aanzienlijke invloed op de kwaliteit.
Draadverbindingsapparatuur en -gereedschappen
Om nauwkeurige draadverbindingsprocessen uit te voeren, is gespecialiseerde apparatuur essentieel:
• Draadverbinders:Volautomatische, semi-automatische en handmatige machines
• haarvaten: Geschikt voor het verbinden van gouddraad
• Wiggereedschap: Effectief voor het verbinden van aluminium- en koperdraad
Moderne machines zorgen voor een nauwkeurige regeling van de ultrasone kracht, temperatuur en verbindingstijd, wat van doorslaggevend belang is voor het verbinden van geminiaturiseerde halfgeleiderdraden.
Basisprincipes van het draadverbindingsproces
Het draadverbindingsproces bestaat uit verschillende opeenvolgende stappen die ontworpen zijn om veilige, geleidende en mechanisch stabiele verbindingen te creëren. Deze stappen zijn gebruikelijk in de meeste draadverbindingstoepassingen voor halfgeleiders:
Matrijsplaatsing
Eerst wordt de halfgeleiderchip met behulp van lijm, soldeer of epoxy aan een behuizingssubstraat of PCB bevestigd.
Draadselectie
De keuze voor de verbindingsdraad (gouddraad, koperdraad of aluminiumdraad) hangt af van de kosten en de elektrische en thermische vereisten.
Tool instellen
Speciale capillairen en wigvormige gereedschappen geleiden de draad tijdens de bondingcyclus.
Eerste bindingsvorming
Bij goudbinding wordt de draadpunt met behulp van elektrische vlamverwijdering (EFO) tot een bal in de vrije lucht gevormd en vervolgens met ultrasone trillingen en hitte op de pad gebonden. Bij wigbinding wordt de draad direct aangedrukt om een wigverbinding te vormen.
Lusvorming
De draad wordt verlengd tot aan het tweede aansluitpunt en vormt zo een boogvormige lus. De geometrie van de gelijmde draadlus heeft een directe invloed op de elektrische prestatiekwaliteit.
Vorming van een tweede binding
Het tweede uiteinde van de verbindingsdraad wordt aan het doelsubstraat en de verpakkingspad gelast.
Inspectie en testen
Dit omvat drie testen:
• Trekproeven
• Schuifproeven
• Visuele inspecties
Deze drie testen garanderen dat het draadverbindingsproces voldoet aan industrienormen zoals MIL-STD-883.
De nauwkeurigheid van elke stap bepaalt de opbrengst, met name bij IC-draadbinding met hoge dichtheid en PCB-draadbinding, waarbij de padgrootte slechts 40 micrometer bedraagt met een spoed van minder dan 70 μm.
Over PCBasic
Tijd is geld in uw projecten – en PCB-basis begrijpt het. PCBasic is een PCB-assemblagebedrijf: die elke keer snelle, vlekkeloze resultaten levert. Onze uitgebreide PCB-assemblagediensten: bieden deskundige technische ondersteuning bij elke stap, waardoor topkwaliteit in elk bord wordt gegarandeerd. Als toonaangevend Fabrikant van PCB-assemblage:, Wij bieden een totaaloplossing die uw toeleveringsketen stroomlijnt. Werk samen met onze geavanceerde PCB-prototypefabriek voor snelle doorlooptijden en superieure resultaten waarop u kunt vertrouwen.
Toepassingen van draadverbindingen in de elektronica
De toepassingen van draadverlijming zijn breed in verschillende industrieën:
Het verbinden van IC-draden is belangrijk in consumentenelektronica, waaronder smartphones, laptops en wearables. Het verbinden van koperdraden wordt ook vaak gebruikt in auto-elektronica, zoals vermogensmodules, sensoren en ECU's.
Ook in de lucht- en ruimtevaart en defensie, zoals radar, satellieten en militaire elektronica, zijn bondingdraden van hoge kwaliteit nodig. Bovendien vereisen medische apparaten zoals pacemakers, gehoorapparaten en implantaten de nauwkeurigheid van bonding van halfgeleiderdraden.
Bovendien maken opto-elektronica en LED's gebruik van PCB-draadbinding, wat nodig is in chip-on-board LED-arrays en CMOS-beeldsensoren.
Tot slot zijn vermogenselektronica die gebruikmaken van SiC- en GaN-apparaten ook sterk afhankelijk van vermogen. Daarom is het gebruik van dikke koperen bondingdraden noodzakelijk om efficiënt vermogensbeheer mogelijk te maken.
Betrouwbaarheidsuitdagingen bij bondingdraad en draadbonding
De kwaliteit van gelijmde draden vormt nog steeds een uitdaging, ondanks de vooruitgang op dit gebied. Het gaat hierbij om verbindingsfouten, die worden gekenmerkt door loskomen van de verbinding, scheuren in de hiel en breuken tijdens thermische schommelingen.
Materiaalproblemen worden ook veroorzaakt door intermetallische Au-Al-verbindingen (IMC's), koperoxidatie en zilververkleuring. Bovendien zijn geometrische spanningen zichtbaar wanneer hielspanning en scheurvoortplanting worden verergerd door een onjuist ontwerp van de verbindingsdraadlussen.
Kostenoverwegingen bij draadverbindingen
De belangrijkste criteria die worden gebruikt bij de selectie van materialen en mechanismen voor verbindingsdraden zijn de kosten:
Gouddraadverbinding is ook betrouwbaar en kostbaar. Koperdraadverbinding biedt aanzienlijke besparingen op de massaproductie van IC-draadverbinding. Aluminiumverbindingsdraad is een voordelige verbinding voor vermogenselektronica en PCB's.
Er is sprake van een scala aan investeringen in machines: semi-automatische bondingmachines kosten tienduizenden dollars, en volledig geautomatiseerde machines kosten honderdduizenden dollars.
Conclusie
Wire bonding is een van de technologieën die sinds 1960 onmisbaar is. Het wire bondingproces is zeer belangrijk bij goudbonding, koperdraadbonding en PCB-draadbonding.
Hoewel flip-chiptechnologie en moderne interconnects hun intrede hebben gedaan, zullen bondingdraden nog steeds centraal staan in de halfgeleiderverbinding. Wire bonding zal kunnen voldoen aan de eisen van de volgende generatie elektronica dankzij de huidige vooruitgang in materialen, automatisering en ontwerp.
