La pertinence durable du câblage par fil

L'évolution de Liaison par fil

Malgré les prévisions de longue date selon lesquelles le câblage par fil serait supplanté par des techniques d'encapsulation avancées, plus de 80 % des boîtiers de semi-conducteurs reposent encore aujourd'hui sur cette technique pour leur assemblage. Sa fiabilité éprouvée, son rapport coût-efficacité et les procédés de fabrication de puces bien maîtrisés (qui ne nécessitent pas une densité d'interconnexions ultra-élevée) laissent penser qu'elle restera pertinente pendant encore plusieurs décennies.

Selon le dernier rapport de Technavio, Équipement de câblage Le marché devrait croître à un taux de croissance annuel composé de 3,3 % entre 2022 et 2027, avec une augmentation de sa valeur prévue de 219,24 millions de dollars sur cette période. Cette croissance est alimentée par la part croissante de l'électronique dans les applications automobiles et par l'expansion rapide du secteur des OSAT, notamment dans la région Asie-Pacifique.

Depuis des décennies, l'or (Au) Fil de liaison L'or a longtemps été la norme dans l'industrie, et ce à juste titre. Sa stabilité chimique, sa résistance à la corrosion et sa fiabilité inégalées en font un matériau idéal pour le conditionnement des semi-conducteurs. Cependant, cette situation a commencé à évoluer avec la flambée des prix de l'or, qui ont augmenté de 478 % entre 2001 et 2011. Les fabricants ont alors commencé à rechercher des alternatives viables permettant de réduire les coûts tout en conservant une conductivité similaire, voire supérieure.

Le cuivre s'est imposé comme le choix évident grâce à son rapport coût-efficacité et à ses excellentes conductivités électrique et thermique. Bien que son prix ait grimpé de près de 700 % durant la même période, son prix maximal de 4,58 $ la livre reste nettement inférieur à celui de l'or, qui s'élevait à 2 100 $ l'once. De plus, le cuivre peut transporter le même courant que l'or avec des fils de plus petit diamètre sans surchauffe, ce qui le rend particulièrement attractif. Enfin, sa plus faible réactivité avec l'aluminium améliore sa fiabilité, notamment lors de stockages prolongés à haute température.

« Il est essentiel d'obtenir un câblage de haute qualité et extrêmement fiable, et de nombreux facteurs influencent cet objectif », explique Per Viklund, directeur de la gamme de produits d'encapsulation de circuits intégrés et RF chez Siemens EDA. « Le choix du matériau du fil doit se faire en fonction de ses performances électriques et de câblage, et le procédé de câblage métallique approprié doit être mis en œuvre. En définitive, l'objectif est d'obtenir une liaison indéfectible. »

La croissance de l'électronique automobile entraîne le passage au cuivre dans le câblage.

Les véhicules modernes peuvent désormais être équipés de plus d'un millier de circuits intégrés (CI). Si l'or est encore utilisé dans certaines applications automobiles, le cuivre a démontré une plus grande fiabilité dans les environnements difficiles et à haute température, grâce à sa conductivité thermique supérieure et à son élasticité dans le temps.

« Lorsqu'on utilise des modules de puissance automobiles, des exigences spécifiques apparaissent en matière de câblage, notamment pour les courants très élevés et les inductances très faibles », a souligné Viklund. « Il est possible de mettre en œuvre des techniques spécialisées pour ces conceptions, mais des limitations physiques empêchent l'ajout d'un nombre infini de fils de connexion. Ce n'est tout simplement pas envisageable. »

Le secteur automobile dépend de plus en plus d'une gamme de dispositifs électroniques de pointe, des calculateurs de gestion moteur aux systèmes d'aide à la conduite, qui exigent des matériaux capables de fonctionner de manière constante dans des conditions difficiles, avec des taux de défaut inférieurs à un sur un milliard, soit un défaut par milliard de kilomètres. Les propriétés intrinsèques du cuivre, notamment son point de fusion élevé et son excellente conductivité, le rendent particulièrement adapté à ces besoins.

« Traditionnellement, le fil d'or a été le matériau de prédilection », a déclaré Prasad Dhond, vice-président d'Amkor Wirebond BGA Products. « Plus facile à manipuler et plus souple, il a toutefois rencontré des difficultés lors des tests de fiabilité automobile. Bien entendu, le coût est également un facteur déterminant. »

Les problèmes de fiabilité liés à l'or à haute température et sur une période prolongée incluent la formation de vides de Kirkendall à l'interface entre le fil conducteur sur la puce et la pastille d'aluminium. Ces vides ne se forment pas dans les liaisons cuivre-aluminium.

Défis rencontrés par le cuivre dans le câblage par fils

Malgré ses avantages en termes de coût et de conductivité thermique, le cuivre présente également des difficultés pour le câblage. La complexité de son utilisation exige un équipement de pointe et une expertise pointue. Des alternatives comme le fil de cuivre palladié, bien que plus dur et plus cher que le cuivre pur, restent moins onéreuses que l'or et offrent une résistance à la corrosion significative. De plus, le cuivre doit être transformé sous atmosphère de gaz de synthèse exempte d'oxygène, composée à 95 % d'azote et à 5 % d'hydrogène.

« L’objectif est de créer une liaison solide et fiable entre les matériaux », explique Chris Davis, chef de produit chez Nordson Semiconductor Products. « Cependant, le cuivre est sensible à la corrosion, ce qui empêche l’utilisation d’autres métaux à proximité, sous peine de corrosion galvanique. Avec l’or et l’aluminium, des dépôts violets peuvent apparaître. Le cuivre est l’option la plus économique, l’or la plus onéreuse, et l’aluminium se situe entre les deux. Toutefois, ce dernier ne peut être assemblé que par des procédés spécifiques et sa mise en œuvre est complexe en raison de sa surface oxydée. Il faut toujours faire des compromis. »

L'automobile est un moteur de changement

Jusqu'en 2010 environ, l'industrie des semi-conducteurs utilisait principalement du fil d'or pour le câblage des composants électroniques. Cependant, face à la flambée des prix de l'or, elle s'est tournée vers le câblage par fil de cuivre, permettant ainsi aux fabricants de puces de réduire leurs coûts d'encapsulation. Initialement, les constructeurs automobiles ont hésité à adopter le cuivre en raison de ses limitations et de l'absence de tests à long terme sur le câblage par fil de cuivre dans des applications critiques soumises à des conditions extrêmes. Cette situation a évolué, le cuivre ayant démontré une fiabilité supérieure dans des environnements à haute température et à fortes vibrations.

« Dans le secteur automobile, le fil de cuivre est devenu le choix privilégié », a déclaré Dhond. « Du point de vue de la fiabilité, les clients le préfèrent. Au cours de la dernière décennie, on a constaté une nette préférence pour le cuivre, et presque tous les nouveaux produits automobiles que nous lançons utilisent désormais du fil de cuivre. »

L'un des inconvénients du cuivre réside dans la chaleur nécessaire à la liaison, qui peut le rendre inadapté aux puces dotées de plots de connexion fragiles ou sensibles aux hautes températures. Sa rigidité peut également compliquer la formation de boucles régulières et fiables, notamment dans les applications à pas fin. De plus, l'oxydation du cuivre peut entraîner une baisse des performances électriques et des problèmes de fiabilité à long terme.

Pour ces applications, les alliages d'argent offrent des performances comparables à celles de l'or, pour un prix similaire à celui du cuivre palladié. L'argent présente une conductivité thermique supérieure et une résistivité inférieure à celles du cuivre, ce qui en fait un excellent choix pour les dispositifs électroniques de puissance. Son élasticité et sa dureté offrent un compromis entre l'or et le cuivre, simplifiant ainsi le processus de liaison, et son point de fusion plus bas contribue à protéger les plots de connexion fragiles. De plus, le câblage en fil d'argent est moins sensible à la corrosion que celui en cuivre.

L'argent pur et ses applications

L'argent pur (Ag) est naturellement mou, ce qui le rend impropre à une utilisation directe pour le câblage. Pour pallier cet inconvénient, on l'allie généralement avec du palladium (Pd) et de l'or dans des proportions variables selon les besoins. De plus, sa haute réflectivité en fait le matériau de prédilection pour le conditionnement des LED, où l'optimisation du flux lumineux est essentielle.

L'aluminium comme matériau de câblage standard dans l'industrie

L'aluminium est utilisé depuis presque aussi longtemps que l'or et possède des propriétés uniques qui en font un excellent choix pour diverses applications. Compatible avec les pastilles d'aluminium sur les puces, il permet une liaison à faible énergie et à température ambiante, ce qui contribue à protéger les composants sensibles.

Tout comme l'argent pur, l'aluminium pur est relativement mou, bien qu'il soit extensible. Pour améliorer ses propriétés mécaniques en vue d'applications spécifiques, il est souvent allié à des éléments comme le silicium, généralement à hauteur d'environ 1 %, et parfois au magnésium. Ces alliages d'aluminium permettent de produire des fils plus fins et plus résistants.

La conductivité électrique et thermique élevée de l'aluminium en fait un matériau de choix pour les dispositifs de puissance et la transmission de signaux. Fréquemment utilisé dans les applications basse fréquence telles que les appareils radio et audio, les alimentations et les thermostats, sa polyvalence lui confère un large éventail d'usages. L'aluminium est assemblé par la technique de collage par coin, ce qui peut limiter son utilisation dans les applications à pas ultra-fin. De plus, sa tendance à l'oxydation le rend moins adapté aux environnements exigeant une pureté élevée et une résistance à la corrosion.

« Chaque matériau présente des défis uniques, notamment lors de la fusion d'un matériau à un autre », a souligné Viklund. « Le fil doit adhérer de manière fiable à n'importe quel matériau présent sur la surface supérieure de la puce. La question récurrente est de savoir comment souder efficacement le fil à la puce et garantir sa fixation. Cela implique de prendre en compte l'aluminium, l'or, le cuivre et divers alliages. La décision repose sur les performances électriques, l'efficacité de la liaison et, en fin de compte, le coût. Trouver le juste équilibre entre ces facteurs est crucial ; sinon, le produit risque de ne pas être adopté par vos clients. »

Conclusion

Dans un paysage technologique en constante évolution, le câblage par fil continue de démontrer son adaptabilité et son importance. À mesure que les dispositifs semi-conducteurs deviennent plus petits et plus complexes, le câblage par fil a évolué grâce à l'intégration de nouveaux matériaux et à l'amélioration des techniques afin de relever les défis posés par les produits électroniques modernes. Bien que des méthodes d'interconnexion alternatives, telles que la technologie flip-chip, aient émergé pour répondre à des exigences spécifiques, le câblage par fil demeure la principale méthode de connexion des puces aux boîtiers.

La transition de l'industrie du cuivre au cuivre, motivée par des considérations économiques et de performance, met en lumière la flexibilité du câblage par fil. De plus, la complexité croissante des applications de mémoire utilisant des architectures multicouches souligne la demande de solutions de câblage par fil capables de gérer des conceptions complexes sans compromettre la fiabilité. À mesure que l'industrie des semi-conducteurs progresse, la résilience et l'héritage d'innovation du câblage par fil laissent présager qu'il restera un élément essentiel de son avenir, s'adaptant et prospérant face aux changements.