Trong quá trình đóng gói bán dẫn, chip cần kết nối điện đáng tin cậy để truyền tín hiệu và dẫn dòng điện đến các mạch bên ngoài. Do sự khác biệt về kích thước chip, yêu cầu công suất và cấu trúc gói, ngành công nghiệp thường sử dụng các quy trình liên kết khác nhau và vật liệu liên kết tương ứng.
Liên kết dây là một trong những công nghệ kết nối được sử dụng rộng rãi nhất trong bao bì chất bán dẫn. Nó kết nối các miếng chip với dây dẫn đóng gói, nền hoặc các cấu trúc dẫn điện khác bằng cách sử dụng dây liên kết bán dẫn hoặc ruy băng liên kết.
Dựa trên phương pháp kết nối và nhu cầu ứng dụng, ngành công nghiệp bán dẫn chủ yếu sử dụng hai kỹ thuật liên kết:
- kết dính bóng
- liên kết nêm
Hai quy trình này tương ứng với các hệ thống vật liệu khác nhau:
| Phương pháp kết dính | Vật liệu phổ biến | Ứng dụng điển hình |
| kết dính bóng | Dây kết dính vàng, dây đồng kết dính | Bao bì IC, Thiết bị nhớ trí, đèn LED, linh kiện điện tử chính xác |
| liên kết nêm | Dây kết nhôm, ruy băng nhôm | IGBT, Mô-đun nguồn, Điện tử xe điện, Hệ thống điện |
Do đó, khi lựa chọn vật liệu kết dính bán dẫn, khách hàng thường phù hợp với quy trình và vật liệu kết dính phù hợp dựa trên loại sản phẩm, phương pháp đóng gói và yêu cầu về hiệu suất điện.
Bài viết này giới thiệu các nguyên lý làm việc, vật liệu áp dụng và phương pháp lựa chọn cho Liên kết Bóng và Liên kết Nêm trong các kịch bản ứng dụng khác nhau. Điều này giúp khách hàng hiểu rõ hơn về sự tương thích giữa các vật liệu liên kết bán dẫn.
2. Kết dính bóng: Quy trình, Vật liệu và Ứng dụng
Liên kết bóng là gì?
Liên kết bằng bi là một trong những phương pháp liên kết được sử dụng rộng rãi nhất trong đóng gói bán dẫn. Nó chủ yếu kết nối các miếng chip với các chân dẫn đóng gói, nền hoặc các cấu trúc dẫn điện khác bằng cách sử dụng dây kim loại mảnh để cho phép truyền tín hiệu điện.
Trong quá trình liên kết bóng, một quả bóng kim loại được tạo hình đầu tiên ở đầu dây liên kết thông qua phương pháp Tắt lửa điện (EFO). Quả cầu kim loại sau đó được kết nối với miếng chip bằng nhiệt, áp suất và năng lượng siêu âm. Tiếp theo, điều khiển vòng dây tạo thành đường kết nối, hoàn thành liên kết thứ hai.
Các bước cơ bản của kết dính bóng
1. Nóng chảy dây
Nhiệt độ cao do phóng điện làm nóng chảy đầu dây, tạo thành cấu trúc cầu.
2. Tạo hình bóng bay tự do
Sức căng bề mặt khiến giọt kim loại nóng chảy tạo thành hình cầu đều, gọi là Free Air Ball (FAB).
3. Hình thành liên kết đầu tiên
Một dụng cụ mao dẫn ép quả bóng kim loại lên bề mặt miếng chip. Nhiệt, áp suất và rung siêu âm tạo ra kết nối ổn định.
4. Hình thành vòng dây
Công cụ liên kết di chuyển và điều khiển hình dạng dây để tạo thành chiều cao vòng và đường đi đáp ứng yêu cầu thiết kế gói.
5. Hình thành liên kết lần hai
Một liên kết thứ hai được hình thành ở đầu kia của dây, kết nối chip với khung chì, nền tảng hoặc các khu vực kết nối bên ngoài khác.
Liên kết cầu chủ yếu được áp dụng cho các sản phẩm bán dẫn yêu cầu kết nối dây nhỏ, khoảng cách pad nhỏ và đóng gói mật độ cao. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong bao bì IC, thiết bị nhớ, bao bì LED và các linh kiện điện tử chính xác khác.
Vật liệu dùng để kết dính cầu
Liên kết cầu thường sử dụng dây kim loại mịn có độ dẫn điện tốt, độ dẻo và độ ổn định khi kết dính. Việc lựa chọn vật liệu chủ yếu phụ thuộc vào cấu trúc thiết bị bán dẫn, yêu cầu đóng gói, nhu cầu về hiệu suất điện và các yếu tố chi phí.
Hiện nay, các vật liệu phổ biến nhất được sử dụng trong liên kết bóng bao gồm:
Dây kết dính vàng Nhờ độ dẻo tuyệt vời và kinh nghiệm ứng dụng liên kết lâu năm, dây vàng được sử dụng rộng rãi trong kết nối bóng. Trong các ứng dụng đóng gói bán dẫn đòi hỏi độ cao và kết nối chính xác cao, dây vàng đáp ứng nhu cầu kết nối vi mô thông qua tính chất vật liệu ổn định. Các ứng dụng điển hình bao gồm đóng gói IC, bao bì LED và thiết bị RF.
Dây kết đồng Với độ dẫn điện cao hơn và chi phí vật liệu ưu đãi hơn so với vàng, dây đồng liên kết đã trở thành lựa chọn quan trọng trong bao bì bán dẫn hiện đại. Nó phù hợp với các kịch bản ứng dụng đòi hỏi cải thiện hiệu suất điện đồng thời tối ưu hóa chi phí đóng gói. Các ứng dụng điển hình bao gồm bao bì IC tiên tiến và các thiết bị bán dẫn.
Đối với các dự án liên kết cầu bằng dây mịn, dây kết dính hợp kim bạc cũng có thể được đánh giá như một lựa chọn thay thế cho dây vàng hoặc đồng, tùy thuộc vào cấu trúc gói, điều kiện liên kết và yêu cầu về độ tin cậy.
Liên kết nêm: Quy trình, Vật liệu và Ứng dụng
Liên kết nêm là gì?
Liên kết hình nêm là một phương pháp liên kết quan trọng khác trong bao bì bán dẫn. Nó chủ yếu sử dụng dụng cụ nêm để tạo áp lực lên dây kim loại hoặc dải ruy băng, kết hợp với năng lượng siêu âm, nhằm tạo kết nối ổn định giữa vật liệu và miếng chip, khung chì hoặc các cấu trúc dẫn điện khác dùng cho truyền dẫn điện.
Khác với liên kết bóng, liên kết nêm không tạo thành một quả cầu khí tự do ở đầu dây. Thay vào đó, dụng cụ nêm trực tiếp ép bề mặt vật liệu. Rung động siêu âm tạo ra ma sát, tạo ra kết nối trạng thái rắn trên bề mặt kim loại.
Liên kết hình nêm thường phù hợp cho bao bì bán dẫn công suất đòi hỏi khả năng chịu dòng điện cao hơn, diện tích kết nối lớn hơn và độ tin cậy lâu dài. Do đó, nó được sử dụng rộng rãi trong các mô-đun IGBT, thiết bị nguồn MOSFET, mô-đun nguồn cho xe năng lượng mới, hệ thống chuyển đổi nguồn và điện tử công nghiệp.
So với liên kết bóng, vốn chủ yếu dùng cho đóng gói IC fine-pitch, liên kết nêm tập trung nhiều hơn vào độ bền kết nối, khả năng truyền dòng điện và độ tin cậy trong điều kiện vận hành thiết bị nguồn.
Các bước cơ bản của kết dính nêm
1. Định vị vật liệu
Dây nối hoặc dải liên kết được đặt tại vị trí chỉ định trên miếng chip hoặc đầu kết nối.
2. Ứng dụng năng lượng siêu âm
Dụng cụ nêm tạo áp lực đồng thời tạo ra rung động siêu âm tần số cao. Điều này phá vỡ lớp oxit tại giao diện tiếp xúc giữa vật liệu và miếng đệ, tạo thành một kết nối kim loại.
3. Hình thành liên kết đầu tiên
Áp lực và tác động siêu âm tạo ra sự kết nối ổn định giữa miếng chip và vật liệu kết dính.
4. Tạo vòng dây/ruy băng
Đường kết nối của dây kết dính hoặc dải được kiểm soát theo yêu cầu cấu trúc bao bì.
5. Hình thành liên kết lần hai
Đầu còn lại được kết nối, thiết lập một đường dẫn điện hoàn chỉnh giữa chip và các đầu nối hoặc cấu trúc mạch bên ngoài.
Vật liệu dùng cho liên kết nêm
Liên kết nêm thường sử dụng dây kim loại hoặc dải ruy băng có độ dẫn điện tốt, tính chất cơ học tốt và phù hợp với đặc tính kết nối siêu âm.
Vì các ứng dụng bán dẫn công suất thường mang dòng điện lớn và phải đối mặt với môi trường chu kỳ nhiệt lâu dài, nên dây nhôm kết dính và dải nhôm đã trở thành lựa chọn vật liệu phổ biến nhất cho liên kết nêm.
Hiện nay, các vật liệu phổ biến được sử dụng trong liên kết nêm bao gồm:
Dây kết nhôm Dây liên kết nhôm mang lại độ dẫn điện tốt, tính chất cơ học và phạm vi rộng các đường kính dây. Nó được sử dụng rộng rãi trong các kết nối liên kết nêm bán dẫn công suất. So với dây kim loại mịn dùng trong đóng gói IC chính xác, dây nhôm phù hợp hơn với các thiết bị nguồn cần khả năng mang dòng điện cao hơn. Các ứng dụng điển hình bao gồm mô-đun IGBT, thiết bị bán dẫn công suất và mô-đun điện tử ô tô.
Ruy băng liên kết nhôm Ruy băng liên kết nhôm có tiết diện hình chữ nhật. So với dây nối tròn, nó cung cấp diện tích kết nối lớn hơn, phù hợp cho đóng gói điện tử công suất dòng điện cao. Khả năng kết nối điện ổn định giúp nó được sử dụng rộng rãi trong các lĩnh vực mô-đun năng lượng mới và mô-đun công suất cao. Các ứng dụng điển hình bao gồm mô-đun nguồn cho xe điện, hệ thống biến tần và thiết bị điện tử năng lượng mới.
Sự khác biệt cốt lõi giữa liên kết cầu và liên kết nêm
Cả liên kết cầu và liên kết hình nêm đều là các quy trình liên kết phổ biến trong bao bì chất bán dẫn. Tuy nhiên, do sự khác biệt về phương pháp kết nối, cấu trúc dụng cụ và vật liệu áp dụng, chúng chủ yếu được áp dụng cho các loại sản phẩm bán dẫn khác nhau.
Liên kết cầu thường được sử dụng cho các ứng dụng yêu cầu kết nối mật độ cao và đóng gói có độ mịn. Các vật liệu phổ biến bao gồm dây liên kết bằng vàng và đồng, chủ yếu được sử dụng cho bao bì bán dẫn chính xác như IC và thiết bị nhớ.
Liên kết nêm phù hợp hơn cho các ứng dụng điện tử công suất đòi hỏi khả năng chịu dòng điện lớn hơn và diện tích kết nối lớn hơn. Nó thường sử dụng dây nhôm kết dính hoặc ruy băng nhôm và được ứng dụng rộng rãi cho các thiết bị IGBT, mô-đun nguồn và các thiết bị điện tử năng lượng mới.
| Mục so sánh | kết dính bóng | liên kết nêm | Mục so sánh |
| hình dạng liên kết | Dây liên kết Ball + Mitch | liên kết nêm phẳng | hình dạng liên kết |
| Công cụ chính | dụng cụ mao mạch | Dụng cụ nêm | Công cụ chính |
| Vật liệu phổ biến | Dây kết dính vàng (Au Wire), Dây đồng kết dính (Cu Wire) | Dây liên kết nhôm (dây Al), Ruy băng liên kết nhôm (Al Ribbon) | Vật liệu phổ biến |
| Kích thước dây | Chủ yếu sử dụng các thông số kỹ thuật dây mảnh | Hỗ trợ dây mảnh đến dây/ruy băng kích thước lớn | Kích thước dây |
| Ưu điểm chính | Phù hợp với bao bì mịn, mật độ cao | Phù hợp cho kết nối dòng điện cao và ứng dụng điện | Ưu điểm chính |
| Ứng dụng điển hình | Bao bì IC, thiết bị nhớ, đèn LED, linh kiện điện tử chính xác | Bán dẫn công suất, mô-đun IGBT, điện tử xe điện | Ứng dụng điển hình |
Cách chọn phương pháp dán phù hợp dựa trên ứng dụng
Trong đóng gói bán dẫn, việc lựa chọn phương pháp liên kết chủ yếu phụ thuộc vào loại chip, cấu trúc bao bì và yêu cầu về hiệu suất điện. Các ứng dụng khác nhau tương ứng với các quy trình liên kết và hệ thống vật liệu khác nhau.
Bảng sau giúp khách hàng nhanh chóng hiểu mối quan hệ phù hợp giữa các ứng dụng phổ biến và vật liệu kết dính.
| Lĩnh vực ứng dụng | Sản phẩm điển hình | Phương pháp kết dính được khuyến nghị | Vật liệu phổ biến |
| Bao bì IC | Mạch tích hợp, Chip logic | kết dính bóng | Dây kết dính vàng Dây kết đồng |
| Bao bì bộ nhớ | Thiết bị bộ nhớ | kết dính bóng | Dây kết dính vàng Dây kết đồng |
| Bao bì LED | LED Chip | kết dính bóng | Dây kết dính vàng |
| Thiết bị RF | Thiết bị RF | kết dính bóng | Dây kết dính vàng Dây kết đồng |
| Các mô-đun IGBT | mô-đun nguồn | liên kết nêm | Dây kết nhôm |
| Điện tử Xe Năng Lượng Mới | Điện tử công suất xe điện | liên kết nêm | Dây kết nhôm Ruy băng nhôm |
| Hệ thống biến tần | Mô-đun biến tần | liên kết nêm | Ruy băng nhôm |
| Thiết bị điện tử công suất cao | Bán dẫn công suất | liên kết nêm | Dây nhôm Ruy băng nhôm |
| Lĩnh vực ứng dụng | Sản phẩm điển hình | Phương pháp kết dính được khuyến nghị | Vật liệu phổ biến |
| Bao bì IC | Mạch tích hợp, Chip logic | kết dính bóng | Dây kết dính vàngDây kết dính đồng |
| Bao bì bộ nhớ | Thiết bị bộ nhớ | kết dính bóng | Dây kết dính vàngDây kết dính đồng |
| Bao bì LED | LED Chip | kết dính bóng | Dây kết dính vàng |
| Thiết bị RF | Thiết bị RF | kết dính bóng | Dây kết dính vàngDây kết dính đồng |
| Các mô-đun IGBT | mô-đun nguồn | liên kết nêm | Dây kết nhôm |
| Điện tử Xe Năng Lượng Mới | Điện tử công suất xe điện | liên kết nêm | Dây kết dính nhômRuy băng nhôm |
| Hệ thống biến tần | Mô-đun biến tần | liên kết nêm | Ruy băng nhôm |
| Thiết bị điện tử công suất cao | Bán dẫn công suất | liên kết nêm | Dây nhômRuy băng nhôm |
Câu hỏi thường gặp
Sự khác biệt giữa liên kết bóng và liên kết nêm là gì?
Sự khác biệt chính giữa kết dính bóng và liên kết nêm nằm ở phương pháp kết nối, dụng cụ sử dụng và vật liệu phù hợp.
Liên kết bằng cầu hoàn thiện kết nối bằng cách tạo thành một quả cầu kim loại. Nó thường sử dụng dây liên kết bằng vàng hoặc đồng và chủ yếu được dùng cho đóng gói bán dẫn mật độ cao như IC và thiết bị bộ nhớ.
Liên kết hình nêm tạo thành kết nối bằng dụng cụ hình nêm và năng lượng siêu âm. Nó thường sử dụng dây nhôm kết dính hoặc dải nhôm và chủ yếu được áp dụng trong các lĩnh vực bán dẫn công suất và đóng gói dòng điện cao.
Phương pháp liên kết nào được sử dụng cho các thiết bị bán dẫn công suất?
Các thiết bị bán dẫn công suất thường sử dụng phương pháp liên kết nêm.
Vì thiết bị nguồn cần mang dòng điện lớn và hoạt động trong môi trường chu kỳ nhiệt lâu dài, nên Dây liên kết nhôm và ruy băng liên kết nhôm thường được sử dụng cho các kết nối liên kết hình nêm.
Các ứng dụng điển hình bao gồm:
Các mô-đun IGBT
Mô-đun nguồn
Hệ thống điện tử cho xe điện
Dây kết nhôm có phù hợp cho kết dính bằng cầu không?
Trong điều kiện bình thường, dây nhôm kết dính chủ yếu được sử dụng cho các ứng dụng liên kết nêm thay vì liên kết bóng.
Điều này là do dây nhôm thường được sử dụng trong bao bì bán dẫn công suất yêu cầu đường kính dây lớn hơn và khả năng mang dòng điện cao, trong khi liên kết cầu chủ yếu được dùng cho bao bì IC mật độ cao, có độ mịn, thường sử dụng dây vàng hoặc đồng.
Những yếu tố nào cần được xem xét khi chọn vật liệu kết dính?
Khi lựa chọn vật liệu kết dính bán dẫn—đặc biệt khi so sánh dây kết dính vàng, bạc, đồng và nhôm—bạn cần cân nhắc kỹ lưỡng:
- Loại hình ứng dụng
- Phương pháp kết dính
- Đường kính dây / Kích thước dải
- Tính chất cơ học
- Yêu cầu về điện
Các cấu trúc bao bì và môi trường ứng dụng khác nhau có yêu cầu khác nhau về vật liệu kết dính, cần được điều chỉnh phù hợp với nhu cầu cụ thể.
Lựa chọn vật liệu kết dính phù hợp cho bao bì bán dẫn
Trong bao bì bán dẫn, vật liệu kết dính phù hợp cần được lựa chọn dựa trên yêu cầu ứng dụng, cấu trúc bao bì và quy trình kết dính.
- Liên kết bóng chủ yếu được sử dụng cho bao bì bán dẫn mật độ cao, có độ mịn, thường sử dụng Dây Bonding Vàng và Dây Bonding Đồng.
- Liên kết nêm được sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực bán dẫn công suất, thường sử dụng dây liên kết nhôm và ruy băng liên kết nhôm.
Việc lựa chọn vật liệu kết dính đòi hỏi sự đánh giá toàn diện, kết hợp giữa hình dạng bao bì, yêu cầu hiện tại, yêu cầu kích thước và môi trường ứng dụng.
Bằng cách hiểu mối quan hệ phù hợp giữa các phương pháp liên kết và vật liệu khác nhau, khách hàng có thể lựa chọn hiệu quả hơn các giải pháp vật liệu liên kết phù hợp với nhu cầu ứng dụng bán dẫn của mình.