A huzalkötés tartós jelentősége

Az evolúció Huzalkötés

Annak ellenére, hogy régóta várták, hogy a vezetékes kötést felváltják a fejlett csomagolási technikák, a félvezető tokok több mint 80%-a még mindig vezetékes kötésre támaszkodik az összeszereléshez. A már bizonyított megbízhatóság, a költséghatékonyság és a jól fejlett chipgyártási folyamatok (amelyek nem igényelnek ultramagas összekötő sűrűséget) azt jelzik, hogy valószínűleg az elkövetkező évtizedekben is releváns marad.

A Technavio legfrissebb jelentése szerint a Huzalkötési berendezések A piac várhatóan 3,3%-os összetett éves növekedési ütemmel fog növekedni 2022 és 2027 között, a piaci méret várhatóan 219,24 millió dollárral fog növekedni ebben az időszakban. Ezt a növekedést az autóipari alkalmazásokban növekvő elektronikus tartalom és az OSAT iparág gyors terjeszkedése táplálja, különösen az ázsiai-csendes-óceáni térségben.

Évtizedek óta az arany (Au) Kötőhuzal óta az iparági szabvány, és jó okkal. Páratlan kémiai stabilitása, korrózióállósága és megbízhatósága alkalmassá teszi a félvezető tokozáshoz. Ez a dinamika azonban megváltozni kezdett, mivel az arany ára 2001 és 2011 között 478%-kal emelkedett. A gyártók elkezdtek olyan életképes alternatívákat keresni, amelyek alacsonyabb költségeket biztosíthatnak, miközben hasonló vagy jobb vezetőképességet biztosítanak.

A réz egyértelmű választásnak bizonyult költséghatékonysága, valamint kiemelkedő elektromos és hővezető képessége miatt. Bár a réz ára közel 700%-kal emelkedett ugyanezen időszak alatt, a csúcsára, amely fontonként 4,58 dollár, továbbra is jelentősen alacsonyabb, mint az arany unciánkénti ára, amely 2100 dollár. Ezenkívül a réz kisebb átmérőjű vezetékek használatával is képes ugyanazt az áramot szállítani, mint az arany, túlmelegedés nélkül, ami különösen vonzóvá teszi. Emellett az alumíniummal való lassabb reakciósebessége javítja a megbízhatóságát, különösen hosszabb ideig tartó magas hőmérsékletű tárolási körülmények között.

„Kiváló minőségű és rendkívül megbízható vezetékkötést kell elérni, és ezt a célt számos tényező befolyásolja” – mondta Per Viklund, a Siemens EDA IC-csomagolásért és RF termékcsaládért felelős igazgatója. „A megfelelő vezetékanyagot az elektromos és kötési teljesítmény alapján kell kiválasztani, és a megfelelő fémkötési eljárást kell alkalmazni. Végső soron a cél egy olyan kötés, amely soha nem fog magától meglazulni.”

Az autóipari elektronika növekedése a réz használatára való áttérést ösztönzi a vezetékkötésekben

A modern járművek ma már több mint ezer integrált áramkörrel (IC) szerelhetők fel. Míg az aranyat még mindig használják bizonyos autóipari alkalmazásokban, a réz nagyobb megbízhatóságot mutatott zord környezetben és magas hőmérsékleten, kiváló hővezető képességének és időbeli rugalmasságának köszönhetően.

„A gépjárművek teljesítménymoduljainak használatakor speciális követelmények merülnek fel a vezetékkötéssel kapcsolatban, különösen a nagyon nagy áramerősség és a nagyon alacsony induktivitással kapcsolatban” – jegyezte meg Viklund. „Ezekhez a tervekhez speciális technikákat lehet alkalmazni, de vannak fizikai korlátok, amelyek korlátozzák a végtelen számú kötővezeték hozzáadását. Ez egyszerűen nem praktikus.”

Az autóipar egyre inkább függ a fejlett elektronikus eszközök széles skálájától, a motorvezérlő egységektől a vezetéstámogató rendszerekig, amelyek olyan anyagokat igényelnek, amelyek kihívást jelentő körülmények között is következetesen teljesítenek, egymilliárd, vagyis egymilliárd kilométerenkénti hibaarány alatt. A réz belső tulajdonságai, beleértve a magas olvadáspontját és a kiváló vezetőképességét, különösen alkalmassá teszik ezekre az igényekre.

„Történelmileg az aranydrót volt a választott anyag” – nyilatkozta Prasad Dhond, az Amkor Wirebond BGA Products alelnöke. „Könnyebben kezelhető és puhább anyag, de az autóipari megbízhatósági tesztelés során bizonyos kihívásokkal kellett szembenéznie. Természetesen a költség is fontos szempont.”

Az arany megbízhatóságával kapcsolatos aggályok magas hőmérsékleten és hosszabb ideig történő alkalmazása esetén magukban foglalják a Kirkendall-üregek kialakulását a chipen lévő vezeték és az alumínium pad közötti határfelületen. Ezek az üregek nem alakulnak ki réz-alumínium kötésben.

A rézzel kapcsolatos kihívások a huzalkötésben

A költségbeli és hővezető képességbeli előnyei ellenére a réz a huzalkötések során kihívásokba ütközik. Használatának bonyolultsága fejlett berendezéseket és speciális szakértelmet igényel. Az olyan alternatívák, mint a palládiummal bevont rézhuzal, bár keményebbek és drágábbak, mint a tiszta réz, mégis olcsóbbak, mint az arany, és jelentős korrózióállóságot biztosítanak. Ezenkívül a rezet oxigénmentes szintézisgáz környezetben kell feldolgozni, amely 95% nitrogénből és 5% hidrogénből áll.

„Erős, megbízható kötést kell létrehozni az anyagok között” – nyilatkozta Chris Davis, a Nordson Semiconductor Products termékmenedzsere. „A réz azonban hajlamos a korrózióra, ami azt jelenti, hogy nem használhatók más fémek a közelében, mivel ez galvánkorrózióhoz vezethet. Az arany és az alumínium esetében lila plakkok alakulhatnak ki. A réz a leggazdaságosabb megoldás, az arany a legdrágább, az alumínium pedig a kettő közé esik, de az alumínium csak speciális eljárásokkal köthető össze, és oxidált felülete miatt meglehetősen nehéz vele dolgozni. Mindig kompromisszumokat kell figyelembe venni.”

Az autóipar változást hajt

Körülbelül 2010-ig a félvezetőipar túlnyomórészt aranyhuzalt használt az ólomkötésekhez a csomagolásokban. Az aranyárak emelkedésével azonban az iparág áttért a rézhuzal-kötésre, lehetővé téve a chipgyártók számára a csomagolási költségek csökkentését. Kezdetben az autógyártók haboztak a réz bevezetésével a korlátai és a rézhuzal-kötés hosszú távú tesztelésének hiánya miatt kritikus alkalmazásokban, zord körülmények között. Ez a dinamika megváltozott, mivel a réz nagyobb megbízhatóságot mutatott magas hőmérsékletű és nagy rezgésű környezetben.

„Az autóiparban a rézhuzal vált az előnyben részesített opcióvá” – jelentette ki Dhond. „A megbízhatóság szempontjából az ügyfelek ezt a módszert részesítik előnyben. Az elmúlt évtizedben jelentős eltolódás történt a réz felé, és szinte az összes új autóipari termékünk, amelyet bevezetünk, rézhuzalt használ.”

A rézzel kapcsolatos egyik kihívás, hogy a kötéshez szükséges hő alkalmatlanná teheti a kényes kötési pontokkal rendelkező vagy a magas hőmérsékletre érzékeny chipekhez. Merevsége a konzisztens és megbízható hurkok kialakítását is megnehezítheti, különösen a finom osztásközű alkalmazásokban. Továbbá a réz oxidációja csökkent elektromos teljesítményhez és potenciális hosszú távú megbízhatósági aggályokhoz vezethet.

Ezekben az alkalmazásokban az ezüstötvözetek az arannyal összehasonlítható teljesítményt nyújthatnak, miközben áruk hasonló a palládiummal bevont rézéhez. Az ezüst kiváló hővezető képességgel és alacsonyabb fajlagos ellenállással rendelkezik a rézhez képest, így kiváló választás teljesítményelektronikai eszközökhöz. Rugalmassága és keménysége egyensúlyt teremt az arany és a réz között, leegyszerűsítve a kötési folyamatot, alacsonyabb olvadáspontja pedig segít megvédeni a törékeny kötési pontokat. Ezenkívül az ezüsthuzalos kötés kevésbé érzékeny a korrózióra, mint a réz.

Tiszta ezüst és alkalmazásai

A tiszta ezüst (Ag) természetesen puha, így alkalmatlan a közvetlen vezetékkötésekhez való alkalmazásra. Ennek a korlátozásnak a leküzdésére az ezüstöt általában palládiummal (Pd) és arannyal ötvözik, az adott igényektől függően változó arányban. Ezenkívül az ezüst magas fényvisszaverő képessége miatt a LED-tokok kedvelt anyaga, ahol a fénykibocsátás maximalizálása kulcsfontosságú.

Alumínium, mint ipari szabványnak számító huzalkötési anyag

Az alumíniumot majdnem olyan régóta használják, mint az aranyat, és egyedi tulajdonságai kiváló választássá teszik különféle alkalmazásokhoz. Kompatibilis a chipek alumínium betétjeivel, lehetővé téve az alacsony energiaszintű kötést szobahőmérsékleten, ami segít megvédeni az érzékeny eszközöket a károsodástól.

A tiszta ezüsthöz hasonlóan a tiszta alumínium is viszonylag puha, bár nyújtható. Mechanikai tulajdonságainak javítása érdekében bizonyos alkalmazásokhoz gyakran ötvözik olyan elemekkel, mint a szilícium, jellemzően körülbelül 1%-os tartalommal, és néha magnéziummal. Ezek az alumíniumötvözetek finomabb, erősebb huzalokat eredményezhetnek.

Az alumínium magas elektromos és hővezető képessége miatt az erősáramú eszközök és a jelátvitel kedvelt választása. Bár gyakran használják alacsony frekvenciájú alkalmazásokban, például rádió- és audioeszközökben, tápegységekben és termosztátokban, sokoldalúsága széleskörű felhasználási módot tesz lehetővé. Az alumíniumot ékkötési technológiával kötik össze, ami korlátozhatja az alkalmazását ultrafinom osztásközű esetekben. Továbbá az alumínium oxidációs hajlama miatt kevésbé alkalmas olyan környezetekben, ahol a nagy tisztaság és a korrózióállóság elengedhetetlen.

„A különböző anyagok egyedi kihívásokat jelentenek, különösen akkor, ha az egyik anyagot a másikkal olvasztjuk” – jegyezte meg Viklund. „A huzalnak megbízhatóan kell kötődnie a chip felső felületén lévő bármilyen anyaghoz. A folyamatos kérdés az volt, hogyan lehet hatékonyan hegeszteni a huzalt a chiphez, és hogyan lehet biztosítani a biztonságát. Ez magában foglalja az alumínium, az arany, a réz és a különféle ötvözetek figyelembevételét. A döntés az elektromos teljesítménytől, a kötés hatékonyságától és végső soron a költségektől függ. Ezen tényezők közötti megfelelő egyensúly elérése kulcsfontosságú; ellenkező esetben előfordulhat, hogy az ügyfelek nem fogadják el.”

Következtetés

A folyamatosan fejlődő technológiai környezetben a vezetékes kötés továbbra is bizonyítja alkalmazkodóképességét és jelentőségét. Ahogy a félvezető eszközök kisebbek és összetettebbek lettek, a vezetékes kötés is fejlődött az új anyagok és finomított technikák integrálásával, hogy kezelni tudják a modern elektronikai termékek által támasztott kihívásokat. Bár alternatív összekapcsolási módszerek, mint például a flip-chip technológia, megjelentek a speciális követelmények teljesítése érdekében, a vezetékes kötés továbbra is az elsődleges módszer a chipek tokozáshoz való csatlakoztatására.

Az iparág gazdasági és teljesítménybeli megfontolásokból fakadó átállása az aranyról a rézre rávilágít a vezetékes kötés rugalmasságára. Továbbá a többrétegű architektúrákat használó memória-alkalmazások növekvő összetettsége aláhúzza az olyan vezetékes kötési megoldások iránti igényt, amelyek képesek bonyolult terveket kezelni a megbízhatóság feláldozása nélkül. Ahogy a félvezetőipar fejlődik, a vezetékes kötés ellenálló képessége és innovatív öröksége arra utal, hogy továbbra is az iparág jövőjének alapvető eleme lesz, alkalmazkodva és virágozva a változásokkal szemben.