Проволочный монтаж
Микросварка проволочных выводов или проволочный монтаж — технологический этап производства полупроводниковых приборов, на котором контактные площадки кристалла полупроводника соединяются проволочными проводниками с внешними выводами корпуса или выводной рамки. В полупроводниковой промышленности преобладает холодная сварка поверхностей, находящихся в твёрдой фазе, без плавления металлов. Нагрев рабочей области применяется лишь для удаления примесей и при необходимости — для размягчения металла, а нагрев рабочего инструмента — для очистки и прокаливания проволоки, и для препятствования оттоку тепла от рабочей области.
В XX веке соединения внутри интегральных схем производились золотой или алюминиевой микропроволокой; в XXI веке, по мере удорожания золота, его постепенно заменила медь. В силовых полупроводниковых приборах соединение производится алюминиевой проволокой, двуслойными или плакированными лентами из цветных металлов и сплавов. По данным 2018 года, микросварка абсолютно доминировала над монтажом перевёрнутого кристалла, [англ.] и иными альтернативными беспроволочными технологиями соединения. В производстве интегральных схем для автомобилестроения микросварка занимала 90 % мирового рынка.
Материалы
В микросхемотехнике используется проволока из алюминия, золота или меди диаметром от 5 до 150 мкм. С течением времени калибры проволоки и размеры контактных площадок уменьшались, а плотность монтажа и количество выводов возрастали. Например, в 2010-е годы испытательные лаборатории Intel использовали алюминиевую проволоку диаметром 25,4 мкм и контактные площадки 53×60 мкм.Практическая плотность такого монтажа с 4-5 рядами контактных площадок достигала 20 выводов на 1 мм2 общей площади кристалла. В 2018 году Intel анонсировал новый внутренний стандарт — диаметр проволоки 17,8 мкм и размер контактных площадок 30×37 мкм.
По данным США 2010 года, основным материалом проволочного монтажа было золото, очищенное до 99,999 % (чистота 5N или «пять девяток»). Значительно реже используются сплавы 99 % золота с 1 % кадмия, палладия, церия и иных легирующих элементов. Золото хорошо проводит электрический ток, химически инертно и чрезвычайно пластично; оно позволяет формировать сварочные шарики и петли выводов нужной формы с минимальными механическими усилиями. Алюминиевая проволока не столь пластична, она не образует сварочного шарика и потому непригодна для сварки встык. В производстве интегральных схем преобладает алюминий, легированный 1 % кремния; в силовых и термически нагруженных приборах предпочтительны чистый алюминий и алюминий-магниевые сплавы.
В 2010—2020-е годы происходит постепенное замещение золотой проволоки медью. Медь в микроэлектронном производстве очищается до 99,9 % (3N) или 99,99 % (4N). Чем выше степень очистки, тем металл пластичнее, но даже лучшие образцы меди уступают в пластичности золоту. Легирование меди ухудшает пластичность, и потому не применяется. Формирование проволочных петель из меди сложнее, чем из золота, а более твёрдые медные шарики способны повреждать свариваемые давлением поверхности. Медь химически активна, оксидные плёнки на её поверхности вынуждают применять значительно бо́льшее давление при сварке. Во избежание окисления плавка медного сварочного шарика проводится в атмосфере 95 % азота и 5 % водорода.
Способы сварки
По данным 2010 года, в производстве интегральных схем преобладали три типа сварки: термокомпрессионная, термозвуковая и ультразвуковая сварка (УЗС). Термокомпрессионные и термозвуковые установки позволяют создавать сварные соединения шариком (встык) и клином (внахлёст). Обе формы соединения применяются совместно: шарик — при сварке оплавленного торца проволоки с контактной площадкой кристалла, клин — при сварке проволоки с выводной рамкой. Ультразвуковая сварка пригодна только для соединений клином.
Термокомпрессионная и термозвуковая сварка
(1) электродуговое формирование шарика (2) опускание капилляра с шариком (3) сварка шарика (4) подъём капилляра (5) формирование петли, опускание капилляра, сварка клина (6) отрыв проволоки от клина, подъём капилляра
Основой рабочего инструмента термокомпрессионной и термозвуковой сварки служит трубчатый капилляр из вольфрам-кобальтового сплава или керамики. Золотая или медная проволока подаётся вертикально через центральное отверстие, сформированное литьём, электроискровой или электрохимической прошивкой. Нижний, рабочий торец капилляра заканчивается профилированной воронкой, которая задаёт форму шарикового соединения с кристаллом.
В начале цикла сварки стартовый конец проволоки, выступающий за рабочий торец капилляра, расплавляется электрической дугой c образованием контактного шарика. Капилляр с шариком перемещается к контактной площадке кристалла и опускается на неё вертикально с усилием порядка 20…200 г. При термокомпрессионной сварке соединение образуется исключительно за счёт взаимной диффузии металлов в результате их сжатия и локального нагрева до температуры 250…350°С. При термозвуковой сварке температура рабочей зоны не превышает 150°С, но к действию нагрева добавляется энергия поперечных ультразвуковых колебаний капилляра с частотой 60 кГц и мощностью 1…2 Вт. Время сварки в обоих случаях не превышает 200 мс. Прочность сварного шва равна прочности привариваемой проволоки.
Затем рабочий инструмент поднимается вертикально вверх и перемещается горизонтально к позиции второй точки сварки (на выводной рамке или на металлизированной подложке), а потом опускается на неё, образуя проволочную петлю; излишки проволоки втягиваются обратно в капилляр. В высокоскоростных установках используется и более сложные, реверсивные траектории движения, позволяющие формировать высокие проволочные петли с наибольшими возможными радиусами кривизны и соединять поверхности в разных уровнях. Капилляр прижимает проволоку к свариваемой поверхности и производит термокомпресионную или термозвуковую сварку внахлёст. В то время, как капилляр остаётся прижатым, расположенный выше него захват вытягивает находящуюся в капилляре проволоку вверх, и она отрывается от зоны сварки. Из-за концентрации напряжений и дефектов в зоне надрыва прочность соединения внахлёст значительно уступает прочности соединения встык.
Ультразвуковая сварка
В ультразвуковой сварке внахлёст применяются клиновидные рабочие инструменты с коротким боковым каналом для подачи проволоки под углом сбоку. Диффузия свариваемых металлов достигается совместным действием ультразвуковых колебаний и силы прижима проволоки к поверхности. Колебания проволоки разрушают оксидные плёнки, очищают поверхности и формируют металлургическое соединение. Нагрев необходим лишь при использовании золотой проволоки.
Ультразвуковая сварка клином имеет ряд преимуществ перед схемой «шарик-клин». Размер контактной площадки под клин, при прочих равных условиях, меньше чем размер площадки под шарик. Возможна пошаговая, многоточечная сварка одного и того же соединения с протяжённым пятном контакта двух металлов — что необходимо, например, при монтаже сверхвысокочастотных приборов на основе арсенида галлия c особо узкими контактными площадками. Она более пригодна для работы в глубоких полостях и корпусах, так как физический размер рабочего клина может превышать наибольшую высоту капилляра термозвуковой сварки. Главное же преимущество УЗС - в возможности применять не золотую, а алюминиевую проволоку. Недостатки ультразвуковой сварки — невысокая механическая прочность соединения и его строгая направленность. Для изменения ориентации проволочных соединений необходимо либо поворачивать рабочий стол, либо применять особые поворотные головки.
Примечания
- Зенин, Рягузов, 2005, с. 197.
- Кудряшов, 2007, с. 1.
- Prasad Dhond. The Rise Of Copper Wires In Automotive ICs. Semiconductor Engineering (2022).
- Badger, 2018, p. 561.
- Charles, 2010, p. 463.
- Breach, 2010, p. 152.
- Charles, 2010, p. 462.
- Xiaoming Hu, 2015, p. 539.
- Xiaoming Hu, 2015, pp. 538—539.
- Breach, 2010, p. 153.
- Charles, 2010, p. 464.
- Зенин, Рягузов, 2005, с. 200.
- Breach, 2010, p. 151.
- Зенин, Рягузов, 2005, с. 18—19.
- Зенин, Рягузов, 2005, с. 22.
- Кудряшов, 2007, с. 3—4.
- Кудряшов, 2007, с. 2—3.
- Кудряшов, 2007, с. 3.
- Зенин, Рягузов, 2005, с. 206.
- Кудряшов, 2007, с. 3.
- Кудряшов, 2007, с. 4.
- Зенин, Рягузов, 2005, с. 208.
- Кудряшов, 2007, с. 5.
Литература
- Зенин В. В., Рягузов А. В. Конструктивно-технологические аспекты сборки полупроводниковых изделий. — Воронежский государственный технический университет, 2005.
- Кудряшов И. Технология микросварки проволочных выводов // Производство электроники: технологии, оборудование, материалы. — 2007. — № 5. — С. 1—6.
- Badger L. L. et al. Ultra-Fine Pitch Wedge bonding for Device Reliability Characterization // IMAPS 2018 — 51st International Symposium on Microelectronics. — 2018. — P. 561—562.
- Breach С. D. What is the future of bonding wire? Will copper entirely replace gold?. — Gold Bulletin. — 2010. — P. 150—167.
- Charles H. K. The Microelectronic Wire Bond: Past, Present, and Future // IMAPSource Proceedings. — 2010. — № 1 (IMAPS 2010 — 43rd International Symposium on Microelectronics). — P. 462—469.
- Xiaoming Hu. Die to Package Interconnection Materials and Technologies // International Conference on Materials, Environmental and Biological Engineering (MEBE 2015). — , 2015. — P. 538—544.
Эта статья входит в число добротных статей русскоязычного раздела Википедии. |
Википедия, чтение, книга, библиотека, поиск, нажмите, истории, книги, статьи, wikipedia, учить, информация, история, скачать, скачать бесплатно, mp3, видео, mp4, 3gp, jpg, jpeg, gif, png, картинка, музыка, песня, фильм, игра, игры, мобильный, телефон, Android, iOS, apple, мобильный телефон, Samsung, iphone, xiomi, xiaomi, redmi, honor, oppo, nokia, sonya, mi, ПК, web, Сеть, компьютер, Информация о Проволочный монтаж, Что такое Проволочный монтаж? Что означает Проволочный монтаж?
Mikrosvarka provolochnyh vyvodov ili provolochnyj montazh tehnologicheskij etap proizvodstva poluprovodnikovyh priborov na kotorom kontaktnye ploshadki kristalla poluprovodnika soedinyayutsya provolochnymi provodnikami s vneshnimi vyvodami korpusa ili vyvodnoj ramki V poluprovodnikovoj promyshlennosti preobladaet holodnaya svarka poverhnostej nahodyashihsya v tvyordoj faze bez plavleniya metallov Nagrev rabochej oblasti primenyaetsya lish dlya udaleniya primesej i pri neobhodimosti dlya razmyagcheniya metalla a nagrev rabochego instrumenta dlya ochistki i prokalivaniya provoloki i dlya prepyatstvovaniya ottoku tepla ot rabochej oblasti Mikrosvarka vyvodov zakaznoj BIS superkompyutera Amdahl 5860 1980 e gody Soedineniya zolotoj provoloki s kontaktnymi ploshadkami kristalla vypolneny sharikom soedineniya s metallizaciej keramicheskoj podlozhki klinom V XX veke soedineniya vnutri integralnyh shem proizvodilis zolotoj ili alyuminievoj mikroprovolokoj v XXI veke po mere udorozhaniya zolota ego postepenno zamenila med V silovyh poluprovodnikovyh priborah soedinenie proizvoditsya alyuminievoj provolokoj dvuslojnymi ili plakirovannymi lentami iz cvetnyh metallov i splavov Po dannym 2018 goda mikrosvarka absolyutno dominirovala nad montazhom perevyornutogo kristalla angl i inymi alternativnymi besprovolochnymi tehnologiyami soedineniya V proizvodstve integralnyh shem dlya avtomobilestroeniya mikrosvarka zanimala 90 mirovogo rynka MaterialyV mikroshemotehnike ispolzuetsya provoloka iz alyuminiya zolota ili medi diametrom ot 5 do 150 mkm S techeniem vremeni kalibry provoloki i razmery kontaktnyh ploshadok umenshalis a plotnost montazha i kolichestvo vyvodov vozrastali Naprimer v 2010 e gody ispytatelnye laboratorii Intel ispolzovali alyuminievuyu provoloku diametrom 25 4 mkm i kontaktnye ploshadki 53 60 mkm Prakticheskaya plotnost takogo montazha s 4 5 ryadami kontaktnyh ploshadok dostigala 20 vyvodov na 1 mm2 obshej ploshadi kristalla V 2018 godu Intel anonsiroval novyj vnutrennij standart diametr provoloki 17 8 mkm i razmer kontaktnyh ploshadok 30 37 mkm Po dannym SShA 2010 goda osnovnym materialom provolochnogo montazha bylo zoloto ochishennoe do 99 999 chistota 5N ili pyat devyatok Znachitelno rezhe ispolzuyutsya splavy 99 zolota s 1 kadmiya palladiya ceriya i inyh legiruyushih elementov Zoloto horosho provodit elektricheskij tok himicheski inertno i chrezvychajno plastichno ono pozvolyaet formirovat svarochnye shariki i petli vyvodov nuzhnoj formy s minimalnymi mehanicheskimi usiliyami Alyuminievaya provoloka ne stol plastichna ona ne obrazuet svarochnogo sharika i potomu neprigodna dlya svarki vstyk V proizvodstve integralnyh shem preobladaet alyuminij legirovannyj 1 kremniya v silovyh i termicheski nagruzhennyh priborah predpochtitelny chistyj alyuminij i alyuminij magnievye splavy V 2010 2020 e gody proishodit postepennoe zameshenie zolotoj provoloki medyu Med v mikroelektronnom proizvodstve ochishaetsya do 99 9 3N ili 99 99 4N Chem vyshe stepen ochistki tem metall plastichnee no dazhe luchshie obrazcy medi ustupayut v plastichnosti zolotu Legirovanie medi uhudshaet plastichnost i potomu ne primenyaetsya Formirovanie provolochnyh petel iz medi slozhnee chem iz zolota a bolee tvyordye mednye shariki sposobny povrezhdat svarivaemye davleniem poverhnosti Med himicheski aktivna oksidnye plyonki na eyo poverhnosti vynuzhdayut primenyat znachitelno bo lshee davlenie pri svarke Vo izbezhanie okisleniya plavka mednogo svarochnogo sharika provoditsya v atmosfere 95 azota i 5 vodoroda Sposoby svarkiPo dannym 2010 goda v proizvodstve integralnyh shem preobladali tri tipa svarki termokompressionnaya termozvukovaya i ultrazvukovaya svarka UZS Termokompressionnye i termozvukovye ustanovki pozvolyayut sozdavat svarnye soedineniya sharikom vstyk i klinom vnahlyost Obe formy soedineniya primenyayutsya sovmestno sharik pri svarke oplavlennogo torca provoloki s kontaktnoj ploshadkoj kristalla klin pri svarke provoloki s vyvodnoj ramkoj Ultrazvukovaya svarka prigodna tolko dlya soedinenij klinom Termokompressionnaya i termozvukovaya svarka Etapy soedineniya sharik klin 1 elektrodugovoe formirovanie sharika 2 opuskanie kapillyara s sharikom 3 svarka sharika 4 podyom kapillyara 5 formirovanie petli opuskanie kapillyara svarka klina 6 otryv provoloki ot klina podyom kapillyaraSoedineniya sharik klin Osnovoj rabochego instrumenta termokompressionnoj i termozvukovoj svarki sluzhit trubchatyj kapillyar iz volfram kobaltovogo splava ili keramiki Zolotaya ili mednaya provoloka podayotsya vertikalno cherez centralnoe otverstie sformirovannoe lityom elektroiskrovoj ili elektrohimicheskoj proshivkoj Nizhnij rabochij torec kapillyara zakanchivaetsya profilirovannoj voronkoj kotoraya zadayot formu sharikovogo soedineniya s kristallom V nachale cikla svarki startovyj konec provoloki vystupayushij za rabochij torec kapillyara rasplavlyaetsya elektricheskoj dugoj c obrazovaniem kontaktnogo sharika Kapillyar s sharikom peremeshaetsya k kontaktnoj ploshadke kristalla i opuskaetsya na neyo vertikalno s usiliem poryadka 20 200 g Pri termokompressionnoj svarke soedinenie obrazuetsya isklyuchitelno za schyot vzaimnoj diffuzii metallov v rezultate ih szhatiya i lokalnogo nagreva do temperatury 250 350 S Pri termozvukovoj svarke temperatura rabochej zony ne prevyshaet 150 S no k dejstviyu nagreva dobavlyaetsya energiya poperechnyh ultrazvukovyh kolebanij kapillyara s chastotoj 60 kGc i moshnostyu 1 2 Vt Vremya svarki v oboih sluchayah ne prevyshaet 200 ms Prochnost svarnogo shva ravna prochnosti privarivaemoj provoloki Zatem rabochij instrument podnimaetsya vertikalno vverh i peremeshaetsya gorizontalno k pozicii vtoroj tochki svarki na vyvodnoj ramke ili na metallizirovannoj podlozhke a potom opuskaetsya na neyo obrazuya provolochnuyu petlyu izlishki provoloki vtyagivayutsya obratno v kapillyar V vysokoskorostnyh ustanovkah ispolzuetsya i bolee slozhnye reversivnye traektorii dvizheniya pozvolyayushie formirovat vysokie provolochnye petli s naibolshimi vozmozhnymi radiusami krivizny i soedinyat poverhnosti v raznyh urovnyah Kapillyar prizhimaet provoloku k svarivaemoj poverhnosti i proizvodit termokompresionnuyu ili termozvukovuyu svarku vnahlyost V to vremya kak kapillyar ostayotsya prizhatym raspolozhennyj vyshe nego zahvat vytyagivaet nahodyashuyusya v kapillyare provoloku vverh i ona otryvaetsya ot zony svarki Iz za koncentracii napryazhenij i defektov v zone nadryva prochnost soedineniya vnahlyost znachitelno ustupaet prochnosti soedineniya vstyk Ultrazvukovaya svarka Soedineniya klin klin V ultrazvukovoj svarke vnahlyost primenyayutsya klinovidnye rabochie instrumenty s korotkim bokovym kanalom dlya podachi provoloki pod uglom sboku Diffuziya svarivaemyh metallov dostigaetsya sovmestnym dejstviem ultrazvukovyh kolebanij i sily prizhima provoloki k poverhnosti Kolebaniya provoloki razrushayut oksidnye plyonki ochishayut poverhnosti i formiruyut metallurgicheskoe soedinenie Nagrev neobhodim lish pri ispolzovanii zolotoj provoloki Ultrazvukovaya svarka klinom imeet ryad preimushestv pered shemoj sharik klin Razmer kontaktnoj ploshadki pod klin pri prochih ravnyh usloviyah menshe chem razmer ploshadki pod sharik Vozmozhna poshagovaya mnogotochechnaya svarka odnogo i togo zhe soedineniya s protyazhyonnym pyatnom kontakta dvuh metallov chto neobhodimo naprimer pri montazhe sverhvysokochastotnyh priborov na osnove arsenida galliya c osobo uzkimi kontaktnymi ploshadkami Ona bolee prigodna dlya raboty v glubokih polostyah i korpusah tak kak fizicheskij razmer rabochego klina mozhet prevyshat naibolshuyu vysotu kapillyara termozvukovoj svarki Glavnoe zhe preimushestvo UZS v vozmozhnosti primenyat ne zolotuyu a alyuminievuyu provoloku Nedostatki ultrazvukovoj svarki nevysokaya mehanicheskaya prochnost soedineniya i ego strogaya napravlennost Dlya izmeneniya orientacii provolochnyh soedinenij neobhodimo libo povorachivat rabochij stol libo primenyat osobye povorotnye golovki PrimechaniyaZenin Ryaguzov 2005 s 197 Kudryashov 2007 s 1 Prasad Dhond The Rise Of Copper Wires In Automotive ICs neopr Semiconductor Engineering 2022 Badger 2018 p 561 Charles 2010 p 463 Breach 2010 p 152 Charles 2010 p 462 Xiaoming Hu 2015 p 539 Xiaoming Hu 2015 pp 538 539 Breach 2010 p 153 Charles 2010 p 464 Zenin Ryaguzov 2005 s 200 Breach 2010 p 151 Zenin Ryaguzov 2005 s 18 19 Zenin Ryaguzov 2005 s 22 Kudryashov 2007 s 3 4 Kudryashov 2007 s 2 3 Kudryashov 2007 s 3 Zenin Ryaguzov 2005 s 206 Kudryashov 2007 s 3 Kudryashov 2007 s 4 Zenin Ryaguzov 2005 s 208 Kudryashov 2007 s 5 LiteraturaZenin V V Ryaguzov A V Konstruktivno tehnologicheskie aspekty sborki poluprovodnikovyh izdelij Voronezhskij gosudarstvennyj tehnicheskij universitet 2005 Kudryashov I Tehnologiya mikrosvarki provolochnyh vyvodov Proizvodstvo elektroniki tehnologii oborudovanie materialy 2007 5 S 1 6 Badger L L et al Ultra Fine Pitch Wedge bonding for Device Reliability Characterization IMAPS 2018 51st International Symposium on Microelectronics 2018 P 561 562 Breach S D What is the future of bonding wire Will copper entirely replace gold Gold Bulletin 2010 P 150 167 Charles H K The Microelectronic Wire Bond Past Present and Future IMAPSource Proceedings 2010 1 IMAPS 2010 43rd International Symposium on Microelectronics P 462 469 Xiaoming Hu Die to Package Interconnection Materials and Technologies International Conference on Materials Environmental and Biological Engineering MEBE 2015 2015 P 538 544 Eta statya vhodit v chislo dobrotnyh statej russkoyazychnogo razdela Vikipedii
