वायर बॉन्डिंग की चिरस्थायी प्रासंगिकता

का विकास तार का जोड़

वायर बॉन्डिंग को उन्नत पैकेजिंग तकनीकों द्वारा प्रतिस्थापित किए जाने की लंबे समय से चली आ रही उम्मीदों के बावजूद, आज भी 80% से अधिक सेमीकंडक्टर पैकेज असेंबली के लिए वायर बॉन्डिंग पर निर्भर हैं। इसकी स्थापित विश्वसनीयता, लागत-प्रभावशीलता और सुविकसित चिप निर्माण प्रक्रियाएं (जिनमें अत्यधिक उच्च इंटरकनेक्ट घनत्व की आवश्यकता नहीं होती) यह दर्शाती हैं कि यह आने वाले दशकों तक प्रासंगिक बनी रहेगी।

टेक्नावियो की नवीनतम रिपोर्ट के अनुसार, वायर बॉन्डिंग उपकरण अनुमान है कि 2022 से 2027 तक बाजार 3.3% की चक्रवृद्धि वार्षिक वृद्धि दर से बढ़ेगा, और इस अवधि के दौरान बाजार का आकार 219.24 मिलियन डॉलर तक बढ़ने की संभावना है। यह वृद्धि ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में इलेक्ट्रॉनिक सामग्री की बढ़ती मांग और विशेष रूप से एशिया-प्रशांत क्षेत्रों में ओएसएटी उद्योग के तीव्र विस्तार से प्रेरित है।

दशकों से, सोना (Au) बॉन्डिंग वायर सोना उद्योग का मानक रहा है, और इसके पीछे ठोस कारण हैं। इसकी अद्वितीय रासायनिक स्थिरता, संक्षारण प्रतिरोध और विश्वसनीयता इसे अर्धचालक पैकेजिंग के लिए एक उपयुक्त सामग्री बनाती है। हालांकि, 2001 से 2011 के बीच सोने की कीमतों में 478% की भारी वृद्धि के साथ यह स्थिति बदलने लगी। निर्माताओं ने ऐसे व्यवहार्य विकल्पों की तलाश शुरू कर दी जो समान या बेहतर चालकता बनाए रखते हुए कम लागत प्रदान कर सकें।

तांबा अपनी किफायती कीमत और उत्कृष्ट विद्युत एवं ऊष्मीय चालकता के कारण एक स्पष्ट विकल्प के रूप में उभरा है। हालांकि इसी अवधि में तांबे की कीमतों में लगभग 700% की वृद्धि हुई, फिर भी इसकी उच्चतम कीमत 4.58 डॉलर प्रति पाउंड सोने की कीमत 2,100 डॉलर प्रति औंस से काफी कम है। इसके अलावा, तांबा कम व्यास वाले तारों का उपयोग करके भी बिना अधिक गर्म हुए सोने के समान धारा प्रवाहित कर सकता है, जो इसे विशेष रूप से आकर्षक बनाता है। साथ ही, एल्युमीनियम के साथ इसकी धीमी प्रतिक्रिया दर इसकी विश्वसनीयता को बढ़ाती है, विशेष रूप से लंबे समय तक उच्च तापमान पर भंडारण की स्थिति में।

सीमेंस ईडीए में आईसी पैकेजिंग और आरएफ उत्पाद लाइन के निदेशक पेर विक्लंड ने कहा, “आपको उच्च गुणवत्ता और अत्यधिक विश्वसनीय वायर बॉन्डिंग प्राप्त करनी होगी, और इस लक्ष्य को कई कारक प्रभावित करते हैं। विद्युत और बॉन्डिंग प्रदर्शन के आधार पर उपयुक्त वायर सामग्री का चयन किया जाना चाहिए, और सही धातु बॉन्डिंग प्रक्रिया का उपयोग किया जाना चाहिए। अंततः, आपका लक्ष्य एक ऐसा बॉन्ड बनाना है जो अपने आप कभी न टूटे।”

ऑटोमोटिव इलेक्ट्रॉनिक्स के विकास से वायर बॉन्डिंग में तांबे के उपयोग में बदलाव आ रहा है।

आधुनिक वाहनों में अब एक हजार से अधिक एकीकृत परिपथ (आईसी) लगाए जा सकते हैं। हालांकि कुछ ऑटोमोटिव अनुप्रयोगों में सोने का उपयोग अभी भी किया जाता है, तांबे ने अपनी बेहतर तापीय चालकता और समय के साथ लचीलेपन के कारण कठोर वातावरण और उच्च तापमान में अधिक विश्वसनीयता प्रदर्शित की है।

“ऑटोमोटिव पावर मॉड्यूल का उपयोग करते समय, वायर बॉन्डिंग के लिए विशेष आवश्यकताएं उत्पन्न होती हैं, विशेष रूप से बहुत उच्च करंट और बहुत कम इंडक्टेंस के संबंध में,” विक्लंड ने बताया। “आप इन डिज़ाइनों के लिए विशेष तकनीकों को लागू कर सकते हैं, लेकिन कुछ भौतिक सीमाएं हैं जो असीमित संख्या में बॉन्ड वायर जोड़ने को प्रतिबंधित करती हैं। यह व्यावहारिक नहीं है।”

ऑटोमोटिव क्षेत्र, इंजन कंट्रोल यूनिट से लेकर ड्राइवर असिस्टेंस सिस्टम तक, कई उन्नत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों पर तेजी से निर्भर होता जा रहा है। इन उपकरणों के लिए ऐसी सामग्रियों की आवश्यकता होती है जो चुनौतीपूर्ण परिस्थितियों में भी लगातार बेहतर प्रदर्शन कर सकें और जिनकी दोष दर एक अरब में एक से कम हो, यानी प्रति अरब किलोमीटर पर एक दोष। तांबे के आंतरिक गुण, जिनमें इसका उच्च गलनांक और उत्कृष्ट चालकता शामिल हैं, इसे इन आवश्यकताओं के लिए विशेष रूप से उपयुक्त बनाते हैं।

“ऐतिहासिक रूप से, सोने का तार ही पसंदीदा सामग्री रहा है,” एमकोर वायरबॉन्ड बीजा प्रोडक्ट्स के उपाध्यक्ष प्रसाद धोंड ने कहा। “इसे संभालना आसान है और यह नरम सामग्री है, लेकिन ऑटोमोटिव विश्वसनीयता परीक्षण के दौरान इसे कुछ चुनौतियों का सामना करना पड़ा है। स्वाभाविक रूप से, लागत भी एक प्रमुख विचारणीय विषय है।”

लंबे समय तक उच्च तापमान पर सोने के साथ विश्वसनीयता संबंधी चिंताओं में चिप पर तार और एल्यूमीनियम पैड के बीच इंटरफ़ेस पर किर्केन्डाल रिक्तियों का निर्माण शामिल है। तांबा-एल्यूमीनियम बॉन्डिंग में ये रिक्तियां नहीं बनती हैं।

वायर बॉन्डिंग में तांबे के सामने आने वाली चुनौतियाँ

कम लागत और बेहतर तापीय चालकता के बावजूद, तांबे को वायर बॉन्डिंग में कई चुनौतियों का सामना करना पड़ता है। इसके उपयोग में शामिल जटिलताओं के कारण उन्नत उपकरणों और विशेष विशेषज्ञता की आवश्यकता होती है। पैलेडियम-लेपित तांबे के तार जैसे विकल्प, शुद्ध तांबे की तुलना में अधिक कठोर और महंगे होने के बावजूद, सोने से कम खर्चीले होते हैं और जंग लगने से बेहतर सुरक्षा प्रदान करते हैं। इसके अतिरिक्त, तांबे को ऑक्सीजन-मुक्त संश्लेषण गैस वातावरण में संसाधित किया जाना चाहिए जिसमें 95% नाइट्रोजन और 5% हाइड्रोजन हो।

“आप सामग्रियों के बीच एक मजबूत, भरोसेमंद बंधन बनाना चाहते हैं,” नॉर्डसन सेमीकंडक्टर प्रोडक्ट्स के प्रोडक्ट लाइन मैनेजर क्रिस डेविस ने कहा। “हालांकि, तांबा संक्षारण के प्रति संवेदनशील होता है, जिसका मतलब है कि आप इसके आसपास अन्य धातुओं का उपयोग नहीं कर सकते, क्योंकि इससे गैल्वेनिक संक्षारण हो सकता है। सोने और एल्यूमीनियम के साथ, आपको बैंगनी रंग की परतें देखने को मिल सकती हैं। तांबा सबसे किफायती विकल्प है, सोना सबसे महंगा है, और एल्यूमीनियम इन दोनों के बीच में आता है, लेकिन एल्यूमीनियम को केवल विशिष्ट प्रक्रियाओं द्वारा ही जोड़ा जा सकता है और इसकी ऑक्सीकृत सतह के कारण इस पर काम करना काफी चुनौतीपूर्ण होता है। हमेशा कुछ न कुछ समझौता करना पड़ता है।”

ऑटोमोटिव ड्राइव में बदलाव

लगभग 2010 तक, सेमीकंडक्टर उद्योग में पैकेजिंग में लीड बॉन्डिंग के लिए मुख्य रूप से सोने के तार का उपयोग किया जाता था। हालांकि, सोने की कीमतों में उछाल आने के साथ ही, उद्योग ने तांबे के तार की बॉन्डिंग की ओर रुख किया, जिससे चिप निर्माताओं को पैकेजिंग लागत कम करने में मदद मिली। शुरुआत में, ऑटोमोटिव निर्माताओं ने तांबे को अपनाने में हिचकिचाहट दिखाई क्योंकि इसकी कुछ सीमाएँ थीं और कठोर परिस्थितियों में महत्वपूर्ण अनुप्रयोगों में तांबे के तार की बॉन्डिंग के लिए दीर्घकालिक परीक्षण उपलब्ध नहीं थे। लेकिन अब स्थिति बदल गई है क्योंकि तांबे ने उच्च तापमान और उच्च कंपन वाले वातावरण में अधिक विश्वसनीयता प्रदर्शित की है।

“ऑटोमोटिव सेक्टर में, तांबे का तार पसंदीदा विकल्प बन गया है,” धोंड ने कहा। “विश्वसनीयता के दृष्टिकोण से, ग्राहक इसे पसंद करते हैं। पिछले दशक में, तांबे की ओर उल्लेखनीय रुझान देखा गया है, और अब हमारे द्वारा पेश किए जाने वाले लगभग सभी नए ऑटोमोटिव उत्पादों में तांबे के तार का उपयोग किया जाता है।”

कॉपर से जुड़ी एक चुनौती यह है कि बॉन्डिंग के लिए आवश्यक ऊष्मा इसे नाजुक बॉन्डिंग पैड वाले चिप्स या उच्च तापमान के प्रति संवेदनशील चिप्स के लिए अनुपयुक्त बना सकती है। इसकी कठोरता सुसंगत और विश्वसनीय लूपों के निर्माण को भी जटिल बना सकती है, विशेष रूप से फाइन-पिच अनुप्रयोगों में। इसके अलावा, कॉपर का ऑक्सीकरण विद्युत प्रदर्शन में कमी और दीर्घकालिक विश्वसनीयता संबंधी चिंताओं का कारण बन सकता है।

इन अनुप्रयोगों के लिए, चांदी की मिश्र धातुएं सोने के समान प्रदर्शन प्रदान कर सकती हैं, जबकि इनकी कीमत पैलेडियम-लेपित तांबे के समान ही होती है। तांबे की तुलना में चांदी की तापीय चालकता बेहतर होती है और प्रतिरोधकता कम होती है, जो इसे विद्युत उपकरणों के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बनाती है। इसकी लोच और कठोरता सोने और तांबे के बीच संतुलन प्रदान करती है, जिससे बॉन्डिंग प्रक्रिया सरल हो जाती है, और इसका कम गलनांक नाजुक बॉन्डिंग पैड की सुरक्षा में सहायक होता है। इसके अतिरिक्त, चांदी के तार की बॉन्डिंग तांबे की तुलना में जंग के प्रति कम संवेदनशील होती है।

शुद्ध चांदी और इसके अनुप्रयोग

शुद्ध चांदी (Ag) प्राकृतिक रूप से नरम होती है, इसलिए यह वायर बॉन्डिंग में सीधे उपयोग के लिए उपयुक्त नहीं है। इस कमी को दूर करने के लिए, विशिष्ट आवश्यकताओं के आधार पर चांदी को पैलेडियम (Pd) और सोने के साथ अलग-अलग अनुपात में मिश्रित किया जाता है। इसके अलावा, चांदी की उच्च परावर्तकता इसे एलईडी पैकेजिंग के लिए पसंदीदा सामग्री बनाती है, जहां प्रकाश उत्पादन को अधिकतम करना महत्वपूर्ण होता है।

उद्योग-मानक वायर बॉन्डिंग सामग्री के रूप में एल्युमिनियम

एल्युमिनियम का उपयोग लगभग उतने ही समय से हो रहा है जितना सोने का, और इसके अद्वितीय गुण इसे विभिन्न अनुप्रयोगों के लिए एक उत्कृष्ट विकल्प बनाते हैं। यह चिप्स पर मौजूद एल्युमिनियम पैड के साथ संगत है, जिससे कमरे के तापमान पर कम ऊर्जा स्तर पर बॉन्डिंग संभव हो पाती है, जो संवेदनशील उपकरणों को क्षति से बचाने में सहायक है।

शुद्ध चांदी की तरह, शुद्ध एल्युमीनियम अपेक्षाकृत नरम होता है, हालांकि यह खिंचाव योग्य होता है। विशिष्ट अनुप्रयोगों के लिए इसके यांत्रिक गुणों को बेहतर बनाने के लिए, इसे अक्सर सिलिकॉन जैसे तत्वों के साथ मिश्रित किया जाता है, आमतौर पर लगभग 1% की मात्रा में, और कभी-कभी मैग्नीशियम के साथ भी। इन एल्युमीनियम मिश्र धातुओं से महीन और मजबूत तार बनाए जा सकते हैं।

एल्युमीनियम की उच्च विद्युत और तापीय चालकता इसे विद्युत उपकरणों और सिग्नल संचरण के लिए पसंदीदा विकल्प बनाती है। रेडियो और ऑडियो उपकरण, बिजली आपूर्ति और थर्मोस्टेट जैसे निम्न-आवृत्ति अनुप्रयोगों में इसका व्यापक उपयोग होता है, लेकिन इसकी बहुमुखी प्रतिभा इसे कई अन्य क्षेत्रों में भी उपयोग करने योग्य बनाती है। एल्युमीनियम को वेज बॉन्डिंग तकनीक से जोड़ा जाता है, जो अति सूक्ष्म पिच वाले अनुप्रयोगों में इसकी उपयोगिता को सीमित कर सकता है। इसके अलावा, एल्युमीनियम के ऑक्सीकरण की प्रवृत्ति के कारण यह उन वातावरणों के लिए कम उपयुक्त है जहां उच्च शुद्धता और संक्षारण प्रतिरोध आवश्यक हैं।

“अलग-अलग सामग्रियों के साथ अलग-अलग चुनौतियाँ आती हैं, खासकर जब एक सामग्री को दूसरी से जोड़ा जाता है,” विक्लंड ने कहा। “चिप की ऊपरी सतह पर मौजूद किसी भी सामग्री से तार का मज़बूती से जुड़ना ज़रूरी है। सबसे बड़ा सवाल यह रहा है कि तार को चिप से प्रभावी ढंग से कैसे जोड़ा जाए और उसकी मज़बूती कैसे सुनिश्चित की जाए। इसमें एल्युमीनियम, सोना, तांबा और विभिन्न मिश्र धातुओं पर विचार करना शामिल है। निर्णय विद्युत प्रदर्शन, जुड़ाव की प्रभावशीलता और अंततः लागत पर निर्भर करता है। इन कारकों के बीच सही संतुलन बनाना बेहद ज़रूरी है; अन्यथा, आपके ग्राहक इसे स्वीकार नहीं करेंगे।”

निष्कर्ष

तकनीकी क्षेत्र में लगातार हो रहे बदलावों के बीच, वायर बॉन्डिंग अपनी अनुकूलन क्षमता और महत्व को प्रदर्शित करती रहती है। जैसे-जैसे सेमीकंडक्टर उपकरण छोटे और अधिक जटिल होते जा रहे हैं, वायर बॉन्डिंग ने आधुनिक इलेक्ट्रॉनिक उत्पादों की चुनौतियों का सामना करने के लिए नए पदार्थों और परिष्कृत तकनीकों को एकीकृत करके खुद को विकसित किया है। हालांकि विशिष्ट आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए फ्लिप-चिप तकनीक जैसी वैकल्पिक इंटरकनेक्शन विधियां सामने आई हैं, फिर भी चिप्स को पैकेज से जोड़ने की प्राथमिक विधि वायर बॉन्डिंग ही बनी हुई है।

आर्थिक और प्रदर्शन संबंधी विचारों से प्रेरित होकर, उद्योग का सोने से तांबे की ओर संक्रमण, वायर बॉन्डिंग की लचीलता को उजागर करता है। इसके अलावा, बहु-परत संरचनाओं का उपयोग करने वाले मेमोरी अनुप्रयोगों की बढ़ती जटिलता, विश्वसनीयता से समझौता किए बिना जटिल डिज़ाइनों को संभालने में सक्षम वायर बॉन्डिंग समाधानों की मांग को रेखांकित करती है। जैसे-जैसे सेमीकंडक्टर उद्योग प्रगति कर रहा है, वायर बॉन्डिंग की मजबूती और नवाचार की विरासत यह दर्शाती है कि यह उद्योग के भविष्य का एक अनिवार्य घटक बना रहेगा, जो बदलावों के साथ तालमेल बिठाते हुए फलता-फूलता रहेगा।