З'єднання дротів проти стрічкового з'єднання: вибір міжз'єднувань для силових модулів

У напівпровідниковій упаковці дротяне з'єднання та стрічкове з'єднання (також зване з'єднувальною стрічкою) є двома основними способами з'єднання кристального майданчика з каркасом або підкладкою. Різниця полягає у формі поперечного перерізу провідника — один із них круглий дріт, інший — плоска стрічка.

Ця стаття охоплює матеріали для з'єднання кристалів до упаковки у вигляді з'єднувального дроту та стрічки; вона не охоплює електричні заземлюючі ремені, фотогальванічну фотоелектричну стрічку чи заземлювальні плетення.

Нижче розділи ознайомляються з струмом, тепловідведенням, надійністю, еквівалентним перетворенням, вартістю та застосуванням, щоб допомогти вам обрати між круглим дротом і плоскою стрічкою в силових модулях.

З першого погляду: круглий дріт проти плоскої стрічки

• Різниця між дротом і стрічкою полягає у поперечному перерізі (круглий проти плоского), а не в процесі; стрічку можна склеювати лише клиноподібно.
• Одна стрічка може замінити кілька товстих круглих проводів паралельно, зменшуючи кількість точок з'єднання.
• Високострумові, невеликі потужні блоки віддають перевагу стрічковій системі; тонкоточний і будь-який напрямок маршрутизації віддають перевагу круглому дроту.

Що таке зв'язування дротів у упаковці напівпровідників?

З'єднання дротів — це технологія пакувальних з'єднань, яка використовує тонкий металевий дріт, що приводиться в дію ультразвуковою, термозвуковою або термокомпресійною енергією, для з'єднання колодки кристала з каркасом або підкладкою.

Поширені дротяні матеріали включають золото, алюміній, мідь і срібло, діаметри яких варіюються від тонких дротів довжиною понад десяток мікрон до важких дротів довжиною кілька сотень мікрон.

До сьогодні це залишається найзрілішим і найпоширенішим методом з'єднання на рівні кристалів — галузеві джерела зазвичай вважають, що більшість з'єднань кристал-пакет у світі все ще здійснюються дротовим з'єднанням. Навіть проти альтернатив, таких як flip chip, він залишається основним інструментом для компактних або середньої кількості контактів, живлення та дискретних пристроїв.

Проте провідник, який використовується для з'єднання дроту, не обмежується круглим поперечним перерізом. Якщо розплющити круглий дріт у прямокутний, отримаєте стрічкове з'єднання — все одно ультразвукове з'єднання, тільки з іншою формою провідника.

Саме ця різниця у формі визначає компроміси щодо продуктивності та процесу, що виникають після цього.

Круглий дріт проти плоскої стрічки — у чому справжня різниця?

Найпоширеніша помилка полягає в тому, що стягування стрічковим з'єднанням є окремим «процесом». Насправді різниця між ним і склеюванням круглого дроту полягає у формі матеріалу, а не в процесі.

Круглий дріт має круглий переріз, описаний діаметром, охоплюючи широкий спектр від тонкого дроту до товстого дроту. Плоска стрічка має прямокутний переріз, який описується двома вимірами — шириною × товщиною — наприклад, 1,0 мм × 0,1 мм.

Обидва — це ультразвукові матеріали для з'єднання; стрічка — це не якийсь новий процес, а набір нових характеристик, що виникають при «сплющенні дроту».

Головне: коли форма поперечного перерізу змінюється, процес з'єднання, який вона може використовувати, струм, який вона може нести, і пакети, які їй підходять, змінюються разом із нею.

Круглий дріт має один регульований параметр (діаметр), а стрічковий — два (ширина і товщина), що дає більшу гнучкість у конструкції — це стає дуже зрозумілим у конвертації еквівалентності пізніше.

Коротка примітка щодо назви: стрічка в літературі також зустрічається як склеюча стрічка або стрічковий дріт — усі вони стосуються однієї й тієї ж плоскої стрічки, яку не слід плутати з фотогальванічною фотоелектричною стрічкою.

Як процес зв'язування пов'язаний із вибором матеріалу

Щоб зрозуміти компроміс дроту проти стрічки, почніть з одного асиметричного факту: стрічку можна склеювати лише клиноподібно, тоді як круглий дріт працює як з кульковим, так і з клиноподібним.

На початку кожного циклу з'єднання кулькове з'єднання плавить дротовий хвіст у кульку (вільноповітряний шар, FAB) з електричною іскрою, а потім з'єднує її як перший зв'язок. Він ненаправлений — другий зв'язок можна розмістити в будь-якому напрямку — і швидкий, переважно використовується для дрібного золота, міді, палладієвого покриття міді та сріблястих дротів, і зазвичай вимагає підвищеної температури.

Клиноподібне з'єднання не утворює кульку; воно з'єднується безпосередньо під тиском і ультразвуковою енергією, з низькою петлею та напрямним обмеженням, і може склеювати круглий дріт будь-якого розміру, а також стрічку. Алюмінієвий дріт і алюмінієву стрічку можна з'єднувати ультразвуково при кімнатній температурі.

Чому стрічку можна склеювати лише клиноподібно? Оскільки її плоский переріз не можна з'єднувати всюди на кульковому склеювачі так, як круглий дріт — її потрібно склеювати напрямно спеціалізованим клиноподібним інструментом. Іншими словами, комбінація «стрічкове + кулькове з'єднання» фізично не існує.

Це, у свою чергу, визначає матеріальний пул: при клиновому з'єднанні отримуємо алюмінієвий дріт і всі типи стрічок; при кульковому склеюванні — тонкий діаметр — дроти з дорогоцінного металу або міді.

Для детальнішого ознайомлення з двома процесами дивіться наш посібник з Ball Bonding проти Wedge Bonding .

Де перемагає стрічка — струм, тепло та надійність

У застосуваннях з високим струмом перевага стрічки виходить за межі простого «більшого перерізу» — за нею стоїть більш специфічний механізм.

Більш рівномірний струм у штамп. Опубліковані технічні дослідження вказують, що коли кілька круглих проводів паралельні на одній платформі, їхні контактні зони зв'язку є окремими і розривними; великий струм, що потрапляє в штамп із цих розсіяних точок, може створювати локальні відмінності у розсіюванні тепла та електричному полі. Стрічка, навпаки, забезпечує одну безперервну велику контактну площу, тому струм потрапляє в кристал більш рівномірно.

Для пристроїв з високою потужністю та струмом суцільна велика з'єднана площа часто може передавати більший струм.

Краще розсіювання тепла. Більший контакт і площа поверхні допомагають розсіювати тепло — це цінно для силових пристроїв, що працюють безперервно при високому струмі.

Нижча паразитна індуктивність. У РЧ та високочастотних шляхах низька індуктивність стрічки є другорядною, але реальною перевагою.

Довговічність циклів під температурою. Опубліковані дослідження показують, що під температурою термін служби з'єднання еквівалентної алюмінієвої стрічки може сягати приблизно у 2,17 рази більшого, ніж у еквівалентного алюмінієвого дроту (порівнюючи Al стрічку та Al дріт із порівнянною пропускною здатністю струму).

Для довідки, опубліковані дані також свідчать, що при довжині петлі близько 1 см алюмінієвий дріт діаметром 300 мкм несе приблизно 25 А, а провід 500 мкм — приблизно 60 А — показники, які змінюються залежно від умов випробування і призначені лише для порядкових величин.

Ці переваги найбільш помітні у силових модулях IGBT / SiC з високою щільністю струму.

Одна стрічка, скільки дротів? Логіка еквівалентності

Одне з найпрактичніших питань, яке ставлять інженери: «Зараз я використовую важкі алюмінієві дроти N — скільки стрічок їх замінить?» Щоб відповісти, спочатку розберіться з логікою конвертації, а не запам'ятовуйте таблицю.

Суть перетворення — рівний опір на однаковій довжині, що визначається площею поперечного перерізу × опору. Ширина стрічки × товщина поперечного перерізу можуть дорівнювати сумарним перерізам кількох круглих проводів — збігаються з перерізом, і опір на тій самій довжині також співпадає.

Опубліковані дані конвертації свідчать, що алюмінієва стрічка з співвідношенням ширини до товщини приблизно 10:1 може замінити близько 12 алюмінієвих дротів, діаметр яких дорівнює товщині стрічки, або близько 8 мідних дротів. Наприклад, алюмінієва стрічка діаметром 1,0 мм × 0,1 мм має поперечний переріз близько 100 000 мкм², тоді як круглий алюмінієвий дріт діаметром 100 мкм — близько 7 854 мкм² — приблизно 12,7, що відповідає наведеному вище рисунку.

Приклад із досліджень: Припустимо, ви зараз використовуєте чотири алюмінієві дроти діаметром 380 мкм, загальна поперечна площа близько 0,454 мм². Одна алюмінієва стрічка шириною 2,0 мм × 0,25 мм (поперечний переріз 0,5 мм²) є достатньою електричною еквівалентом. Кроки прості — підсумуйте перерізи дроту, виберіть стрічку такого ж або трохи більшого перерізу, а потім перевірте відповідно до умов упаковки.

Швидка геометрична еквівалентність (отримана з площі поперечного перерізу, округлена):

(Обчислено з поперечної геометрії; фактичний вибір все одно повинен враховувати струм і вікно процесу.)

Різні матеріали замінюють різну кількість дротів через різну стійкість: ρ_Al ≈ 2,7, ρ_Cu ≈ 1,7, ρ_Au ≈ 2,3 ×10⁻⁶ Ω·см. Нижчий опір міді означає, що мідна стрічка однакового перерізу замінює іншу кількість дротів, ніж алюмінієва.

Практична вигода від перетворення полягає у меншій кількості облігаціях — меншій кількості потенційних інтерфейсів відмови та швидшому циклі з'єднання.

Нагадаємо: конвертація еквівалентності — це лише відправна точка «електричної еквівалентності» — остаточний вибір все одно має враховувати висоту петлі, розмір панелі та вікно процесу.

Чи справді стрічка знижує вашу вартість?

Чи справді перехід на стрічку економить гроші? Відповідь не просто «так» чи «ні» — це залежить від поєднання кількох факторів вартості.

Вартість матеріалів

Вартість одиниці суттєво відрізняється між золотими, срібними, мідними та алюмінієвими дротами — золото є найвищим, тоді як мідь і алюміній є більш економічними. Вибір матеріалу сам по собі є важелем вартості, який розглядається поверх вибору дроту проти стрічки.

Кількість облігацій і пропускна здатність

Одна стрічка, що замінює кілька дротів, означає менше циклів з'єднання і швидший ритм з'єднання, скорочуючи час роботи на упаковці. Це найпряміше джерело економії стрічки у великомасовому виробництві.

Вартість надійності

Менша кількість інтерфейсів облігації означає менше потенційних точок відмови, що з часом допомагає зменшити витрати на переробку та пов'язані з відмовами.

Це одноразова інвестиція з іншого боку

Стрічка вимагає спеціалізованих клиноподібних інструментів і головки з глибоким доступом, тому впровадження передбачає одноразову інвестицію в обладнання та обладнання. Для невеликих обсягів або коли вже існує зрілий важкий кабель, комутація може не принести результату.

Тож чи економить це гроші, залежить від загальної вартості володіння — матеріали, робоча сила, вихід і амортизація обладнання разом — а не лише від ціни на одиницю матеріалу. Чи варто перемикатися — залежить від типу упаковки, обсягу виробництва та поточного стану вашої лінійки.

Які застосунки використовують дріт, а які стрічки?

Поточні та вимоги до висоти залежать від застосування, як і правильний вибір — використовуйте це, щоб швидко знайти свої:

Силові модулі (IGBT / SiC / DBC)

Дороги з високим струмом — домашня територія з важкого алюмінієвого дроту та алюмінієвої стрічки.

Автомобільна та електромобілі

Модулі керування мотором, акумуляторні модулі та високострумові з'єднання CCS, де переваги стрічки вирізняються надійністю та часом циклу.

RF / Мікрохвильова

Високочастотні сигнальні шляхи, де низька індуктивність стрічки є другорядною перевагою.

LED / Оптоелектроніка

Переважно тонкий круглий дріт із кульковим з'єднанням; високопотужні світлодіоди демонструють тенденцію до стрічки.

IC / Логіка / MEMS

Відмінний крок і висока кількість штифтів — домашня територія тонкого круглого дроту.

Застосування встановлює вимоги до струму та висоти тону, які, у свою чергу, визначають: дріт або стрічка. Для детальнішої інформації про сценарії з модулями живлення дивіться нашу сторінку застосувань для упаковки напівпровідників.

Як обрати — круглий дріт чи стрічку?

Розглянувши переваги, має значення і повна картина: стрічка не завжди найкраща — у багатьох випадках круглий дріт залишається правильним вибором.

Де круглий дріт все одно перемагає.

Стрічка є спрямованою — її не можна прокладати всюдиспрямовано, як круглий дріт, тому круглий дріт більш гнучкий для різких поворотів або складного маршрутизування; мікросхеми з тонким кроком і сигнальні лінії залишаються територією круглого дроту. Стрічка також потребує спеціальних клиноподібних інструментів і глибокодоступної головки з'єднання, тому не кожна лінія може використовувати її plug and play.

Режими невдач, з якими треба зіткнутися чесно.

Опубліковані аналізи відмов вказують, що підняття другого зв'язку та тріщина п'яти є реальними режимами відмови для стрічки, і що стрічка більш чутлива до вікна процесу з'єднання та чистоти інтерфейсу. Це не випадок проти стрічки — це нагадування, що відповідні системи керування процесом мають бути встановлені.

Швидке довідання щодо рішення:

Зрештою, вибір — це відповідність сценарію, а не те, що стрічка безумовно краща за дріт.

Кваліфікація переходу — тестування на облігації та практичний чек-лист

Після того, як ви вирішите пробувати стрічку, вам все одно потрібно знати, як перевірити якість облігацій і що перевіряти перед усиновленням.

Як перевіряється міцність зв'язку.

Два основних методи: тест на розтягування дроту (руйнівний натяг, оцінка міцності петлі та з'єднання) та тест на зсув зсуву (зсувна сила, оцінка зв'язаного інтерфейсу).

Стрічкові зв'язки з великою площею контакту здебільшого оцінюються шляхом тестування на зсув/штовх, тоді як круглий дріт переважно базується на тестуванні на тягу. Методи тестування можуть відповідати стандартам, таким як ASTM F459 та JEDEC JESD22-B116A (перевірте поточну версію перед цитатуванням).

Зверніть увагу, що ці тести відповідають на питання «міцності зв'язку»; вони доповнюють, а не замінюють перевірки проб власного навантаження на розрив і подовження матеріалу.

Контрольний список оцінки перед переходом:

• Чи можуть розмір і розташування колодки враховувати ширину стрічки та клиноподібний відбиток;
• Чи має зв'язувач глибокий напрямок і відповідні клиноподібні інструменти;
• Чи може шар кріплення кристала (м'який припой / паяльна паста / срібна епоксидка) витримати вищу ультразвукову енергію склеювання стрічки;
• Виміряйте висоту петлі та посадку зазору в упаковці;
• План перевірки надійності: циклічне вимірювання температури / перемикання живлення плюс відбір проб тяги / зсуву;
• Ланцюг постачання: чи відповідають розміри стрічок і формат котушок вашій системі годування?

Матеріали з першого погляду — варіанти дроту та стрічки

Маючи каркас на місці, ось доступні матеріали та як кожен з них розташований.

З'єднувальний дріт:

• Золото: дуже надійне, основа кульового з'єднання, з повільним інтерметалевим зростанням на межі.
• Срібний сплав: відмінна електропровідність і теплопровідність, поширений альтернативний напрямок золотому дроту.
• Мідь / Pd-покрита мідь: баланс вартості та надійності; мідне з'єднання потребує інертної атмосфери.
• Алюміній: основа клиноподібного з'єднання для силових пристроїв; з'єднується ультразвуково при кімнатній температурі.

Стрічка для зв'язування:

• Алюміній: основа високострумних з'єднань у силових модулях.
• Мідь / Золото / Срібло: варіанти для різних потреб у провідності та надійності.

Henan Chalco постачає як з'єднувальний дріт, так і стрічку для з'єднання по вказаних матеріалах; стрічка для з'єднання доступна у різних розмірах ширини × товщини.

Для технічних характеристик дивіться сторінки продуктів про алюмінієвий з'єднувальний дріт, золотий зв'язувальний дріт, мідний / пд-покритий мідний з'єднувальний дріт, срібний зв'язувальний дріт та стрічку для зв'язування.

Миттєва цитата

Напівпровідниковий з'єднувальний дріт

Дріт для з'єднання золота

Мідний з'єднувальний дріт

Алюмінієвий з'єднувальний дріт

Срібний сплавний з'єднувальний дріт

Стрічка для з'єднання напівпровідників

Алюмінієва стрічка для зклеювання

Мідний стовп

Матеріали для напівпровідникової мішені, що розпилюються

Поширені запитання

Що таке зв'язування дротів у упаковці напівпровідників?

З'єднання дроту використовує тонкий металевий дріт, який приводиться в дію ультразвуковою, термозвуковою або термокомпресійною енергією, для з'єднання колодки з каркасом або підкладкою. Це найзріліший і найпоширеніший метод з'єднання на рівні кристалу, зазвичай із використанням золотого, алюмінієвого, мідного або срібного дроту.

У чому різниця між склеюванням дроту та стрічковим з'єднанням?

Різниця полягає у перерізі провідника: дріт круглий, стрічка — плоска прямокутна. Стрічку можна з'єднувати лише клиноподібно, вона забезпечує більшу площу контакту та більшу пропускну здатність струму, і переважно використовується в блоках живлення з високим струмом; круглий дріт підходить для тонкого кроку та маршрутизації в будь-якому напрямку.

Скільки дротяних з'єднань можна замінити одна стрічка?

Як порядок величини, алюмінієва стрічка з співвідношенням ширини до товщини близько 10:1 може замінити приблизно 12 алюмінієвих дротів, діаметр яких дорівнює товщині стрічки (точна кількість залежить від розміру та матеріалу). Перетворення базується на рівному опорі на рівній довжині, тобто еквівалентному перерізі — див. розділ еквівалентності вище.

Чи є стрічкове склеювання надійнішим, ніж важке склеювання дроту?

Під температурою еквівалентна алюмінієва стрічка зазвичай служить довше за еквівалентний алюмінієвий дріт (опубліковані дослідження оцінюють її приблизно 2,17×). Але стрічка має власні режими руйнування, такі як підняття другого з'єднання та тріщина п'ятки, і потребує відповідних механізмів керування процесом.

У чому різниця між кульковим і клиноподібним з'єднанням?

Кулькове з'єднання розплавлює дротовий хвіст у кульку перед зчепленням — ненаправлено і швидко, для тонкого круглого дроту. Клинове з'єднання не утворює кульку, має низьку петлю та напрямок, і може з'єднувати як круглий дріт, так і стрічку. Дивіться наш посібник «Кулькове з'єднання проти клинового з'єднання».

У чому різниця між з'єднанням дроту та флип-чіпом?

При з'єднанні дротів/стрічок кристал повертається вгору і з'єднується з рамою металевими дротами; у flip chip кристал перевертається і з'єднується безпосередньо через виступи або паяльні кульки, без жодних дротів. Ця стаття зосереджена на виборі дроту проти стрічки в сімействі дротяних з'єднання. У світлодіодних та подібних застосуваннях кожен підхід має своє місце — див. дрот для з'єднання LED-упаковки.

Чи стрічка для зв'язування — це те саме, що і стрічка для зв'язування чи стрічка з фотоклапаном?

Стрічка для з'єднання та стрічка для з'єднання — це дві назви однієї й тієї ж плоскої стрічки, що використовується при з'єднання кристалів. Це не те саме, що фотогальванична стрічка (сонячна стрічка для кріплення) або електричні заземлювальні ремені — їх застосування та характеристики відрізняються.