Czym jest łączenie drutowe?

Wore Bonding to metoda łączenia metalowych wyprowadzeń z padem, czyli technika łączenia wewnętrznych i zewnętrznych układów scalonych.

Strukturalnie, metalowe wyprowadzenia pełnią funkcję mostka między padem chipa (połączenie pierwotne) a padem nośnym (połączenie wtórne). Początkowo ramki wyprowadzeń były wykorzystywane jako podłoża nośne, ale wraz z szybkim rozwojem technologii, płytki PCB są obecnie coraz częściej wykorzystywane jako podłoża. Połączenia drutowe łączące dwa niezależne pady, materiał wyprowadzeń, warunki łączenia, pozycja łączenia (oprócz połączenia chipa z podłożem, ale także połączenia z dwoma chipami lub dwoma podłożami) są bardzo różne.

1. Łączenie drutów: termokompresja/ultradźwięki/termodźwięki
Istnieją trzy sposoby przymocowania metalowego przewodu do podkładki:

①Metoda termokompresji, płytka spawalnicza i rozdzielacz kapilarny (podobny do narzędzia w kształcie kapilary służącego do przesuwania metalowych wyprowadzeń) poprzez nagrzewanie i ściskanie;
②Metoda ultradźwiękowa, bez podgrzewania, fala ultradźwiękowa jest przyłożona do rozdzielacza kapilarnego w celu połączenia.
③Termosonic to metoda łączona wykorzystująca zarówno ciepło, jak i ultradźwięki.
Pierwsza z nich to metoda łączenia poprzez prasowanie na gorąco, która polega na uprzednim podgrzaniu pola lutowniczego układu do około 200°C, a następnie zwiększeniu temperatury końcówki spawarki kapilarnej, tak aby zwinęła się w kulkę, i wywieraniu nacisku na pole lutownicze poprzez spawarkę kapilarną, aby połączyć wyprowadzenie metalowe z polem lutowniczym.
Druga metoda ultradźwiękowa polega na przyłożeniu fal ultradźwiękowych do klina (podobnego do klina kapilarnego, który jest narzędziem do przesuwania metalowych przewodów, ale nie tworzy kulki) w celu połączenia metalowych przewodów z podkładką. Zaletą tej metody jest niski koszt procesu i materiałów. Jednakże, ponieważ metoda ultradźwiękowa zastępuje proces nagrzewania i sprężania łatwymi w obsłudze falami ultradźwiękowymi, wytrzymałość na rozciąganie (zdolność do ciągłego rozciągania przewodu po połączeniu) jest stosunkowo niska.
2. Materiał metalowych przewodów łączących: złoto (Au)/aluminium (Al)/miedź (Cu)
Materiał ołowiu metalowego określa się na podstawie kompleksowego rozważenia różnych parametrów spawania i doboru najodpowiedniejszej metody. Typowymi materiałami ołowiu metalowego są złoto (Au), aluminium (Al) i miedź (Cu).
Drut złoty charakteryzuje się dobrą przewodnością elektryczną, stabilnością chemiczną i wysoką odpornością na korozję. Jednak największą wadą wczesnego stosowania drutu aluminiowego jest podatność na korozję. Twardość drutu złotego jest duża, dzięki czemu może on dobrze formować kulkę w pierwszym wiązaniu, a także półkolistą pętlę (kształt utworzony od pierwszego do drugiego wiązania) dokładnie w drugim wiązaniu.
Drut aluminiowy ma większą średnicę niż drut złoty, a skok jest większy. Dlatego nawet jeśli do wykonania pierścienia ołowianego zostanie użyty drut ze złota o wysokiej czystości, nie ulegnie on pęknięciu, natomiast czysty drut aluminiowy jest łatwy do złamania, dlatego będzie mieszany z krzemem, magnezem i innymi stopami. Drut aluminiowy jest stosowany głównie w opakowaniach wysokotemperaturowych (takich jak hermetyczne) lub w metodach ultradźwiękowych, w których nie można zastosować drutu złotego.
Drut miedziany jest tani, ale zbyt twardy. Zbyt wysoka twardość utrudnia formowanie kulek, a formowanie pierścienia prowadzącego wiąże się z wieloma ograniczeniami. Ponadto podczas procesu łączenia kulek należy wywierać nacisk na pad chipowy, a zbyt wysoka twardość może spowodować pęknięcie powłoki na spodzie padu. Dodatkowo może dojść do „odklejania się” trwale połączonej warstwy padu.

Ponieważ jednak metalowe okablowanie układu scalonego jest wykonane z miedzi, coraz częściej stosuje się drut miedziany. Aby zniwelować wady drutu miedzianego, zazwyczaj miesza się go z niewielką ilością innych materiałów, tworząc stop.