Na microeletrônica, A ligação de fios é um dos principais processos. Há muitos anos, os fabricantes utilizam essa técnica para dois propósitos: ela cria uma conexão elétrica e mecânica perfeita entre minúsculos chips semicondutores e sua embalagem externa.
Há uma forte concorrência de alternativas como flip chips e encapsulamento 3D avançado. No entanto, a ligação por fios domina como a tecnologia de interconexão de nível superior.
Por exemplo, ela é responsável por mais de 75% de todas as conexões de dados para pacotes no mundo todo.
Para entender a ligação de fios IC, ligação de fios PCB e ligação de fios semicondutores, você precisa entender os princípios básicos do processo de ligação de fios, os materiais dos fios de ligação e as tendências futuras.
Posteriormente, este artigo fornece um exame abrangente da ligação de fios, com foco em:
. Técnicas
. Materiais
. Aplicações
. Custo
. Problemas comuns
O que é ligação de fio?
A ligação de fios é o processo pelo qual dispositivos semicondutores são conectados eletricamente a um encapsulamento, substrato e placa de circuito impresso. Esse processo utiliza fios finos. Esses fios de ligação são geralmente feitos de ouro, alumínio e cobre. A ligação é feita por meio de pressão combinada com calor e energia ultrassônica.
As principais vantagens da ligação por fios incluem:
A ligação de fios é versátil
Ele acomoda uma ampla variedade de materiais, tipos de embalagens e geometrias de dispositivos, tornando-o adequado para praticamente qualquer aplicação.
Facilmente escalável
Ele oferece suporte à produção de ligação de fios de CI em alto volume, sendo também viável para projetos especializados de baixo volume.
Fabricação confiável
Quando executados corretamente, os fios soldados resistem a ambientes adversos, incluindo condições automotivas, aeroespaciais e de dispositivos médicos.
Tecnologia acessível
Em comparação com soluções flip-chip, a ligação por fios oferece uma opção de interconexão mais acessível devido aos seus requisitos mais simples e necessidades reduzidas de equipamentos.
Embora o conceito pareça simples — apenas um fio fino conectando um bloco de chip a um bloco de pacote — o processo real de ligação do fio exige ferramentas precisas, um ambiente limpo e uma seleção cuidadosa do material.
Tipos de tecnologias de ligação de fios
Existem três categorias principais de técnicas de ligação de fios, cada uma com diferentes casos de uso:
Bola de ligação
O processo de ligação de fios mais comum é a ligação por esfera, particularmente em aplicações de ligação de fios de ouro e cobre. Envolve a criação de uma esfera de ar livre na extremidade do fio, que é então pressionada contra a almofada de ligação por meio da aplicação de calor, energia ultrassônica e pressão no processo termossônico.
O uso de fios de ouro com ball bonds não é novidade, visto que o ouro é um excelente condutor com alta resistência à corrosão. O fio de cobre está se tornando cada vez mais popular como uma alternativa mais barata e de alto desempenho, especialmente em dispositivos de energia. Os ball bonds são de alta velocidade e não direcionais, tornando-os adequados para a ligação de fios de circuitos integrados de eletrônicos de consumo em alta velocidade.
Colagem em cunha
A colagem em cunha utiliza uma ferramenta em forma de cunha para pressionar o fio de colagem diretamente contra a almofada. Essa técnica é amplamente utilizada com fios de alumínio em aplicações como colagem de fios semicondutores para dispositivos de energia automotiva e sistemas aeroespaciais.
Oferece capacidade de passo fino, atingindo dimensões tão pequenas quanto 15–25 μm. É comum na colagem de fios de PCB para montagem direta de chip na placa. As uniões em cunha de alumínio são econômicas, mas são limitadas pelos requisitos de espaçamento das pastilhas.
Variações Avançadas
A colagem por termocompressão utiliza apenas calor e pressão e é mais lenta, mas oferece alta confiabilidade. Em contraste, a colagem por fita utiliza fitas planas em vez de fios redondos para aplicações de alta corrente ou RF. Já a colagem reversa coloca um pino na almofada antes de unir o fio a ela. Por fim, a colagem assistida por laser e a colagem fotônica representam métodos avançados para MEMS, LEDs e dispositivos fotônicos.
Materiais de ligação de fios
A escolha do fio de ligação depende dos requisitos de condutividade, resistência mecânica, custo e confiabilidade.
Materiais comuns para fios de ligação incluem:
Fio de ligação de ouro
Este é o material mais tradicional para ligação de ouro e fios de circuitos integrados, proporcionando excelente resistência à corrosão e condutividade. Continua sendo amplamente utilizado na ligação de fios semicondutores para aplicações críticas.
Fio de ligação de alumínio
Usado principalmente em colagem de cunha, é econômico e leve, o que o torna ideal para módulos de energia e colagem de fios de PCB.
Fio de ligação de cobre
Ganhou destaque como alternativa de menor custo ao ouro, oferecendo condutividade elétrica e térmica superior. No entanto, requer revestimentos protetores, como fios de cobre revestidos com Pd, para evitar a oxidação.
Fio de ligação de prata
Embora menos comum, oferece a mais alta condutividade. O fio de prata é adequado para aplicações de nicho que exigem fios de baixa resistência.
Fios de liga e revestidos
Fios de ligação de cobre revestidos com Pd combinam a condutividade do cobre com a resistência à oxidação do paládio. Fios de ligação bimetálicos e ligados melhoram a resistência e a estabilidade térmica. Essas variações são vitais para a ligação de fios semicondutores em altas temperaturas e frequências.
Diâmetro e geometria do fio
Fios finos, como 17–25 μm, são incorporados na ligação de fios de circuitos integrados de passo fino, enquanto fios mais grossos, de 100–300 μm, com fitas, são usados para aplicações de correntes ainda mais altas. A altura do laço, o ângulo do calcanhar e a geometria do fio de ligação influenciam significativamente a qualidade.
Equipamentos e ferramentas para ligação de fios
Para executar processos precisos de colagem de fios, equipamentos especializados são essenciais:
. Ligadores de fios: Máquinas totalmente automáticas, semiautomáticas e manuais
. Capilares: Adequado para ligação de fios de ouro
. Ferramentas de cunha:Eficaz para ligação de fios de alumínio e cobre
Máquinas modernas fornecem controle preciso da força ultrassônica, temperatura e tempo de ligação, o que é decisivo para a ligação miniaturizada de fios semicondutores.
Fundamentos do processo de ligação de fios
O processo de ligação de fios consiste em várias etapas sequenciais projetadas para criar interconexões seguras, condutivas e mecanicamente estáveis. Essas etapas são comuns na maioria das aplicações de ligação de fios semicondutores:
Colocação de matriz
Primeiro, o chip semicondutor é fixado a um substrato de pacote ou PCB usando adesivos, solda ou epóxi.
Seleção de fio
A escolha do fio de ligação — seja de ouro, cobre ou alumínio — depende do custo e dos requisitos elétricos e térmicos.
Configuração da ferramenta
Capilares especializados e ferramentas de cunha guiam o fio durante o ciclo de colagem.
Primeira formação de ligação
Na colagem com ouro, a ponta do fio é moldada em uma esfera de ar livre por meio de chama elétrica (EFO) e, em seguida, fixada à almofada por meio de vibração ultrassônica e calor. Na colagem em cunha, o fio é empurrado diretamente para formar uma ligação em cunha.
Formação de Loop
O fio é estendido até o segundo ponto de conexão, formando um laço em forma de arco. A geometria do laço do fio conectado influencia diretamente a qualidade do desempenho elétrico.
Formação da segunda ligação
A segunda extremidade do fio de ligação é soldada ao substrato alvo e à almofada do pacote.
Inspeção e teste
Isso envolve três testes:
. Testes de tração
. testes de cisalhamento
. Inspeções visuais
Esses três testes garantem que o processo de ligação dos fios siga os padrões da indústria, como o MIL-STD-883.
A precisão de cada etapa determina o rendimento, especialmente para a ligação de fios de CI de alta densidade e de PCB, onde o tamanho do pad é de apenas 40 micrômetros com passos abaixo de 70 μm.
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Aplicações da ligação de fios em eletrônica
As aplicações de ligação de fios são amplas em diferentes indústrias:
A ligação de fios de circuitos integrados (CI) é importante em eletrônicos de consumo, incluindo smartphones, laptops e wearables. A ligação de fios de cobre também é comumente usada em eletrônicos automotivos, como módulos de potência, sensores e ECUs.
Além disso, fios de ligação são necessários em aplicações aeroespaciais e de defesa, como radares, satélites e eletrônicos militares, e devem ser de alta qualidade. Além disso, dispositivos médicos, como marca-passos, aparelhos auditivos e implantes, exigem a precisão da ligação de fios semicondutores.
Além disso, a optoeletrônica e os LEDs fazem uso da ligação de fios de PCB, necessária em conjuntos de LEDs em chip e sensores de imagem CMOS.
Por fim, a eletrônica de potência que usa dispositivos de SiC e GaN também é altamente dependente de energia, o que requer o uso de fios de cobre grossos para permitir um gerenciamento de energia eficiente.
Desafios de confiabilidade em fios de ligação e ligação de fios
A questão da qualidade dos fios soldados ainda é um desafio, apesar dos avanços nessa área. Trata-se de falhas de ligação, caracterizadas por desprendimento da ligação, trincas no calcanhar e quebras durante o ciclo térmico.
Além disso, problemas no material são causados por compostos intermetálicos (IMCs) de Au-Al, oxidação do cobre e oxidação da prata. Além disso, tensões geométricas são evidentes quando a tensão de calcanhar e a propagação de trincas são exacerbadas pelo projeto inadequado dos laços dos fios de ligação.
Considerações de custo na ligação de fios
Os critérios convincentes usados para selecionar materiais e mecanismos de fios de ligação são custo:
A ligação de fios de ouro também é confiável e dispendiosa. A ligação de fios de cobre oferece reduções significativas na produção em massa de fios de circuitos integrados. A ligação de fios de alumínio é uma forma de ligação de fios de eletrônica de potência e PCB de baixo custo.
Há uma variedade de investimentos em máquinas: máquinas de colagem semiautomáticas custam dezenas de milhares de dólares, e máquinas totalmente automatizadas custam centenas de milhares de dólares.
Conclusão
A ligação de fios é uma das tecnologias indispensáveis desde 1960. O processo de ligação de fios é muito importante na ligação de ouro, ligação de fios de cobre e ligação de fios de PCB.
Embora flip-chips e interconexões modernas tenham surgido, os fios de ligação ainda serão o foco principal da ligação de fios semicondutores. A ligação de fios será capaz de atender aos requisitos da próxima geração de eletrônicos com os atuais avanços em materiais, automação e design.
