З'єднання напівпровідникового дроту | Кулькове проти клиноподібне з'єднання

Під час упаковки напівпровідників мікросхеми потребують надійних електричних з'єднань для передачі сигналів і проведення струму до зовнішніх схем. Через варіації розміру чипа, енергоспоживання та структури корпусу галузь зазвичай використовує різні процеси з'єднання та відповідні матеріали для з'єднання.

Зв'язування дротів є однією з найпоширеніших технологій з'єднання у упаковці напівпровідників. Воно з'єднує контакти мікросхем із виводами упаковки, підкладками або іншими провідними структурами за допомогою напівпровідникових з'єднувальних проводів або стрічок для з'єднання.

Залежно від методів підключення та потреб застосування, напівпровідникова промисловість переважно використовує дві методи з'єднання:

• З'єднання куль
• Клиноподібне зв'язування

Ці два процеси відповідають різним матеріальним системам:

Тому при виборі матеріалів для напівпровідникового з'єднання клієнти зазвичай підбирають відповідні процеси з'єднання та матеріали залежно від типу продукту, методу пакування та вимог до електричної продуктивності.

У цій статті представлені робочі принципи, застосовні матеріали та методи вибору для кульового та клиноподібного зв'язування у різних сценаріях застосування. Це допомагає клієнтам краще зрозуміти сумісність між напівпровідниковими з'єднувальними матеріалами.

2. Кулькове з'єднання: процес, матеріали та застосування

Що таке З'єднання куль?

Кулькове з'єднання є одним із найпоширеніших методів з'єднання у напівпровідниковій упаковці. Воно в основному з'єднує контакти чіпів із виводами упаковки, підкладками або іншими провідними структурами за допомогою тонких металевих дротів для забезпечення передачі електричного сигналу.

У процесі з'єднання кульки спочатку формується металева кулька на кінці дроту за допомогою електричного вимкнення (Electrical Flame-Off, EFO). Потім металева куля під'єднується до чіп-майданчика за допомогою тепла, тиску та ультразвукової енергії. Далі контур керування дротом формує шлях з'єднання, завершуючи другий зв'язок.

Основні кроки з'єднання кульок

1. Плавлення дроту

Високі температури, що виникають під час електричного розряду, плавлять кінець дроту, утворюючи сферичну структуру.

2. Формація вільного повітряного м'яча

Поверхневий натяг змушує краплю розплавленого металу формувати правильну сферичну форму, відому як вільна повітряна куля (FAB).

3. Перше утворення зв'язку

Капілярний інструмент притискає металеву кульку до поверхні подушки для сколу. Тепло, тиск і ультразвукові вібрації створюють стабільне з'єднання.

4. Формування дротяної петлі

Інструмент для з'єднання рухає та контролює форму дроту, формуючи висоту та шлях петлі, що відповідають вимогам конструкції корпусу.

5. Друге утворення зв'язку

Другий зв'язок формується на іншому кінці дроту, з'єднуючи чіп із каркасом свинця, підкладкою або іншими зовнішніми з'єднувальні ділянки.

Кулькове з'єднання головним чином застосовується до напівпровідникових виробів, які потребують тонких дротяних з'єднань, невеликих нахилів на площадках і високощільної упаковки. Тому воно широко застосовується у упаковці ІС, пристроях пам'яті, LED-упаковці та інших прецизійних електронних компонентах.

Матеріали, що використовуються для з'єднання куль

Кулькове з'єднання зазвичай використовує тонкі металеві дроти з хорошою провідністю, пластичністю та стабільністю зчеплення. Вибір матеріалу залежить насамперед від конструкції напівпровідникового пристрою, вимог до упаковки, електричних характеристик і факторів вартості.

Наразі найпоширенішими матеріалами, що використовуються для зклеювання кульок, є:

• Золотий зв'язувальний дріт

  Завдяки відмінній пластичності та досвіду застосування у з'єднаннях, золотий дріт широко використовується у сферичному з'єднанні. У застосуваннях для упаковки напівпровідників, що потребують тонкого кроку та високоточних з'єднань, золотий дріт відповідає вимогам мікроз'єднання завдяки стабільним властивостям матеріалу. Типові застосування охоплюють упаковку ІС, LED-упаковку та RF-пристрої.

• Мідний з'єднувальний дріт

  Завдяки вищій провідності та більш вигідним матеріалам порівняно із золотом, мідний з'єднувальний дріт став важливим вибором у сучасному напівпровідниковому пакуванні. Він підходить для сценаріїв, що потребують покращення електротехнічної продуктивності та оптимізації вартості пакування. Типові застосування охоплюють сучасне пакування мікросхем і напівпровідникові пристрої.

Для проєктів з тонкого дроту можна оцінити срібний сплавний дріт як альтернативу золотому або мідному дроту, залежно від конструкції упаковки, умов зчеплення та вимог до надійності.

Клинове з'єднання: процес, матеріали та застосування

Що таке клинове зв'язування?

Клинове з'єднання — ще один критичний метод з'єднання у напівпровідниковій упаковці. Він переважно використовує клиноподібний інструмент для прикладання тиску на металеві дроти або стрічки, у поєднанні з ультразвуковою енергією, щоб створити стабільні з'єднання між матеріалом і колодками чіпа, свинцевими каркасами або іншими провідними структурами для електропередачі.

На відміну від кульового з'єднання, клинове з'єднання не утворює вільну повітряну кулю на кінці дроту. Натомість клиноподібний інструмент безпосередньо обтискає поверхню матеріалу. Ультразвукова вібрація створює тертя, створюючи твердотільне з'єднання на металевій поверхні.

Клинове з'єднання зазвичай підходить для упакування силових напівпровідників , що потребує більшої пропускної здатності струму, більших площ з'єднання та довгострокової надійності. Тому воно широко використовується в IGBT-модулях, MOSFET-пристроях живлення, силових модулях нових енергетичних транспортних засобів, системах перетворення енергії та промисловій силовій електроніці.

У порівнянні з кульковим з'єднанням, яке переважно використовується для упакування мікросхем з тонким кроком, клинове з'єднання більше зосереджене на міцності з'єднання, здатності пропускати струм і надійності в умовах роботи силового пристрою.

Основні кроки клиноподібного з'єднання

1. Позиціонування матеріалів

З'єднувальний дріт або стрічка розміщується у визначеному місці на чіп-майданчику або клемі з'єднання.

2. Застосування ультразвукової енергії

Клиноподібний інструмент створює тиск, створюючи високочастотні ультразвукові вібрації. Це руйнує оксидний шар на контактній межі між матеріалом і колодкою, утворюючи металеве з'єднання.

3. Перше утворення зв'язку

Тиск і ультразвукова дія створюють стабільний зв'язок між чіпом і матеріалом для з'єднання.

4. Формування дротяної/стрічкової петлі

Шлях з'єднання з'єднувального дроту або стрічки контролюється відповідно до вимог конструкції корпусу.

5. Друге утворення зв'язку

Інший кінець з'єднується, створюючи повний електричний шлях між чипом і зовнішніми клемами або схемами.

Матеріали, що використовуються для клиноподібного з'єднання

Клинове з'єднання зазвичай використовує металеві дроти або стрічки з хорошою провідністю, механічними властивостями та придатністю для ультразвукових з'єднань.

Оскільки застосування силових напівпровідників часто мають великі струми та перебувають у тривалих умовах термічного циклу, алюмінієвий зв'язувальний дріт і алюмінієва стрічка стали найпоширенішими матеріалами для клиноподібного з'єднання.

Наразі поширені матеріали, що використовуються для клиноподібного зклеювання, включають:

• Алюмінієвий з'єднувальний дріт

  Алюмінієвий з'єднувальний дріт забезпечує хорошу провідність, механічні властивості та широкий діапазон діаметрів дроту. Він широко використовується у клиноподібних з'єднаннях силових напівпровідникових клиноподібних з'єднань. Порівняно з тонкими металевими дротами, які використовуються у прецизійному пакуванні ІС, алюмінієвий дріт краще підходить для силових пристроїв, які потребують більшої пропускної здатності струму. Типові застосування охоплюють IGBT-модулі, силові напівпровідникові пристрої та автомобільні електронні модулі.

• Алюмінієва стрічка для з'єднання

  Алюмінієва стрічка має прямокутний переріз. Порівняно з круглими з'єднувальними проводами, вона забезпечує більшу площу з'єднання, що робить її придатною для упакування електронікі з високим струмом. Її стабільна здатність електричного з'єднання робить її широко застосовуваною у сферах нових енергетичних та потужних модулів. Типові застосування охоплюють силові модулі електромобілів, інверторні системи та нове обладнання енергетичної електроніки.

Відмінності ядра між кульковим і клиноподібним зв'язуванням

І кулькове, і клинове з'єднання є поширеними процесами з'єднання в упаковці напівпровідників. Однак через відмінності у методах з'єднання, конструкції інструментів і відповідних матеріалах їх переважно застосовують до різних типів напівпровідникових виробів.

Кулькове з'єднання зазвичай використовується для застосувань, що потребують високощільних з'єднань і тонкого упакування. Поширені матеріали включають золоті та мідні дроти, які здебільшого застосовуються до високоточного напівпровідникового пакування, такого як інтегральні схеми та пристрої пам'яті.

Клинове з'єднання більше підходить для застосування силової електроніки, що потребують більшої пропускної здатності струму та більших площ з'єднання. Зазвичай використовується алюмінієвий зв'язувальний дріт або алюмінієву стрічку і широко застосовується до IGBT, силових модулів та нових енергетичних електронних пристроїв.

Як обрати правильний метод з'єднання залежно від застосування

У напівпровідниковій упаковці вибір методу з'єднання здебільшого залежить від типу чіпа, структури корпусу та вимог до електричної продуктивності. Різні застосування відповідають різним процесам з'єднання та системам матеріалів.

Наступна таблиця допомагає клієнтам швидко зрозуміти співвідношення між поширеними застосуваннями та матеріалами для з'єднання.

FAQ

У чому різниця між кульковим і клиноподібним з'єднанням?

Основні відмінності між кульковим і клиноподібним зв'язуванням полягають у методі з'єднання, використаних інструментах та відповідних матеріалах.

Кулькове з'єднання завершує з'єднання шляхом формування металевої кулі. Зазвичай використовується золоті або мідні зв'язувальні дроти і переважно застосовується для упаковки напівпровідників високої щільності, таких як інтегральні схеми та пристрої пам'яті.

Клиноподібне з'єднання формує з'єднання за допомогою клиноподібного інструменту та ультразвукової енергії. Зазвичай використовується алюмінієвий з'єднувальний дріт або алюмінієву стрічку, і переважно застосовується у силових напівпровідниках та високострумовій упаковці.

Який метод з'єднання використовується для силових напівпровідникових пристроїв?

Потужні напівпровідникові пристрої зазвичай використовують клинове з'єднання.

Оскільки енергетичні пристрої потребують великих струмів і працюють у довготривалих умовах термічного циклу, для клиноподібних з'єднань часто використовують алюмінієвий з'єднувальний дріт і алюмінієву стрічку.

Типові застосування включають:

Модулі IGBT

Енергетичні модулі

Електронні системи електромобілів

Чи підходить алюмінієвий з'єднувальний дріт для кульового з'єднання?

За звичайних умов алюмінієвий з'єднувальний дріт переважно використовується для клиноподібного з'єднання, а не для кульового з'єднання.

Це пов'язано з тим, що алюмінієвий дріт зазвичай використовується у упаковці силових напівпровідників, що потребує більшого діаметра дроту та великої пропускної здатності струму, тоді як кулькове з'єднання переважно застосовується для дрібного кроку та високощільного пакування ІС, часто із використанням золотих або мідних дротів.

Які фактори слід враховувати при виборі матеріалів для склеювання?

При виборі матеріалів для з'єднання напівпровідників — особливо при порівнянні золотих, срібних, мідних та алюмінієвих дротів — потрібно комплексно врахувати:

• Тип застосування
• Метод зв'язування
• Діаметр дроту / розміри стрічки
• Механічні властивості
• Електричні вимоги

Різні структури корпусів і середовища застосування мають різні вимоги до матеріалів для з'єднання, які потрібно підбирати відповідно до конкретних потреб.

Вибір правильного матеріалу для з'єднання для напівпровідникової упаковки

У напівпровідниковому пакуванні необхідно обрати відповідний матеріал для з'єднання відповідно до вимог застосування, структури упаковки та процесу з'єднання.

• Кулькове зв'язування переважно використовується для упаковки напівпровідників з дрібним кутом, високої щільності, зазвичай застосовуючи золотий зв'язувальний дріт і мідний зв'язувальний дріт.
• Клинове з'єднання широко використовується у галузі силових напівпровідників, зазвичай застосовуючи алюмінієвий з'єднувальний дріт і алюмінієву стрічку.

Вибір матеріалів для клеювання вимагає комплексного судження, що поєднує форму упаковки, поточні вимоги, вимоги до розміру та умови нанесення.

Розуміючи співпадіння між різними методами з'єднання та матеріалами, клієнти можуть ефективніше обирати рішення для з'єднання, які відповідають їхнім потребам у напівпровідникових застосуваннях.