SamsPcbGuide, Teil 14: Technologie - Mikroentwicklung und Chip-On-Board-Technologie

In diesem selbstisolierenden Artikel werde ich über das Drahtbonden von Mikrokabeln (englisches Drahtbonden) sprechen. Im Zusammenhang mit Leiterplatten konzentrieren wir uns auf die Technologie der Montage von Kristallen auf einer Leiterplatte (English Chip-on-Board, COB). Achten Sie darauf, das Video über Links zu sehen, Mikroschweißen ist sehr schön!

Das Schweißen stellt eine elektrische Verbindung des Kristalls mit den Ergebnissen des Gehäuses (beim Verpacken des Chips) oder direkt mit den Leitern der Leiterplatte her (COB-Technologie). Eine alternative Methode zur elektrischen Verbindung ist die invertierte Montage des Kristalls (englischer Flip-Chip), sowohl bei der Konstruktion des Gehäuses selbst als auch direkt auf der Leiterplatte (Abb. 1).

Die Installation mit Mikrodrahtleitungen erfolgte nach den ersten integrierten Schaltkreisen in den frühen 1960er Jahren und wurde bis heute erfolgreich eingesetzt. Invertierte Installation ist eine moderne Technologie, die als Reaktion auf die Anforderungen entstanden ist, die Anzahl der Schlussfolgerungen zu erhöhen, die Geschwindigkeit zu erhöhen und die Abmessungen zu verringern. Es gibt jedoch eine Reihe von Designbeschränkungen, die mit der Gewährleistung der Zuverlässigkeit verbunden sind (ich habe hier ausführlich darüber geschrieben ), und es ist technologisch komplexer.

In diesem Artikel werden die Klassifizierung und Theorie verschiedener Schweißmethoden nicht im Detail untersucht - dies ist ein sehr voluminöses Material, das über den Rahmen des diskutierten Themas hinausgeht. Tatsache ist, dass sich im Laufe seiner langen Geschichte die Technologie zum Verbinden von Mikrodrahtleitungen in den Bereichen Erhöhung der Stabilität, Zuverlässigkeit und Geschwindigkeit des Montageprozesses entwickelt hat und die Möglichkeiten der Ausrüstung erweitert wurden, Schweißschleifen mit komplexer Form und hoher Installationsdichte zu erzeugen (Abb. 2). Eine Vielzahl von Aufgaben und der Mangel an universeller Technologie führten im Suchprozess zur Entwicklung verschiedener Schweißmethoden. Betrachten Sie kurz die wichtigsten Punkte. Trotz der Vielfalt der Methoden ist dies ein gemeinsames Prinzip für alledass eine Schweißverbindung infolge von Druck und Erwärmung der Kontaktflächen auf eine hohe Temperatur bis zur Bildung interatomarer Verbindungen gebildet wird (meistens sind dies intermetallische Verbindungen). Je nach Heizmethode wird die Aufteilung in folgende Haupttypen unterteilt: Thermokompression (externe Erwärmung), Ultraschall (Reibung mit einem Ultraschallimpuls), Thermosonic (eine Kombination aus externer Erwärmung und Ultraschallimpuls) und Kontaktschweißen (gepulste Erwärmung mit elektrischem Strom). Die Hauptmaterialien für Mikrodrahtklemmen sind Aluminium, Gold, Kupfer. Kupfer wird anstelle von Gold verwendet, um die Kosten zu senken. Es ist jedoch schwieriger und oxidiert auch schnell an der Luft, was den Schweißprozess erschwert und anspruchsvollere Geräte erfordert, die in der Schweißzone eine inerte Atmosphäre erzeugen (Stickstoff oder Formgas).Die hohe Leitfähigkeit von Kupfer ist trotz des komplexeren Herstellungsprozesses ein Treiber für den Ersatz von Aluminium beim Ausfall von Leistungsgeräten.

Die Achse des Drahtes beim Auswickeln kann parallel ausgerichtet werden - dies ist ein Keilkeil (dt. Keilbindung) oder senkrecht - es ist eine Keilschweißnaht (dt. Kugelbindung) (Abb. 3). Die Schlaufe hat meistens zwei Kontaktpunkte, daher werden die Schweißmethoden je nach Art der Schweißpunkte in „Kugelkeil“ und „Keilkeil“ unterteilt. Am gebräuchlichsten sind Ultraschallschweißen mit Keil-Keil-Aluminiumdraht ( Video ) und Thermo-Sound-Schweißen mit Gold / Kupfer-Kugelkeil ( Video ). Im letzteren Fall wird die Spitze des Drahtes mit einer Funkenentladung ( Video ) verschmolzen, um eine Kugel zu bilden , die dem Schweißprozess nur Epizität und Schönheit verleiht. Für Stromversorgungsgeräte werden Aluminium- und Goldbänder verwendet ( Video mit schickem Soundtrack).

Die Schlüsselparameter beim Ultraschall- / Thermosonschweißen sind die Schweißkraft, Leistung und Dauer des Ultraschallimpulses. Ihre Kombination für einen bestimmten Schweißaufbau, einen bestimmten Draht (Durchmesser, Steifheit), ein bestimmtes Kochwerkzeug, bestimmte Parameter des Kontaktkissens (Größe, Material) sollte die Wiederholbarkeit des Schweißprozesses mit garantierten Verbindungszuverlässigkeitsparametern gewährleisten. Direkt gesteuerte Parameter sind Aussehen, Auszugskraft (Eng. Pull-Test) und Scherkraft (Eng. Shear-Test) (Abb. 4), indirekt - Fehler während des Wärmezyklus und andere Tests im Produkt.

Die Auswahl der Parameter ist in gewisser Weise ein magischer Vorgang, aber es gibt eine Reihe von Empfehlungen. Im Allgemeinen wird es nach der Methode des wissenschaftlichen Stocherns durchgeführtDesignexperiment (DOE), d. h. sequentielle Aufzählung von Parametern in einem bestimmten Bereich. Bei dieser Suche können Sie auf den veröffentlichten Ergebnissen zur Parameteroptimierung (z. B. Artikel [1, 2]), auf den Empfehlungen des Geräteherstellers und natürlich auf den gewonnenen Erfahrungen aufbauen. Als nächstes wird für jeden Parametersatz eine Testentkopplung durchgeführt, gefolgt von einer Kontrolle des Aussehens und der Bemühungen um Trennung / Verschiebung. Um das Erscheinungsbild zu kontrollieren, reicht eine Erhöhung um x100 mit der Fähigkeit, lineare Abmessungen zu messen (Abb. 5). Zur Messung der Reiß- / Verschiebungskräfte werden spezielle Geräte verwendet (für Laboraufgaben können Sie beispielsweise ein Gramm-Messgerät mit einem Haken verwenden und manuell verschieben und die Bruchform untersuchen bei Vergrößerungen x100 ... 200 und mehr).Um das Aussehen beurteilen zu können, ist es wichtig, möglichst viele mikroskopische Aufnahmen der schönen und hässlichen Schweißpunkte zu machen (hier)hier und hierZum Beispiel gibt es einige gute Mikrofotografien mit einer Beschreibung), weil meiner Erfahrung nach ein Zusammenhang zwischen der Schönheit des Auspackens und seiner Qualität besteht. Darüber hinaus gibt es mit der Erfahrung ein Verständnis dafür, wie sie beim Einstellen von Parametern variiert werden können, um das gewünschte Ergebnis zu erzielen (es gibt nicht genug Aufwand beim Schweißen oder zu viel Leistung), dh die Suche wird immer bewusster und richtungsweisender. Zu einer Zeit hat mir das Lesen der Artikel aus Theorien über die Entstehung des Schweißens und den Einfluss von Parametern auf seine Qualität sehr geholfen [3, 4]. Und doch diese ebenso nicht weniger schönen Artikel [5, 6], in denen die Autoren (Denkmäler) die Bildung einer Schleife mit einer Hochgeschwindigkeitskamera untersuchten. Die Anzahl der Artikel, die gelesen werden, um bis zu 100 zu beenden, die Anzahl der gekochten und zerrissenen Jumper bis zu 10.000 und die Magie in diesem Prozess wird etwas geringer sein. Immer noch sehr viel von der Installation,Natürlich kommt es darauf an - in einem erbitterten Kampf habe ich das Maximum aus der belarussischen EM-4450-Maschine herausgepresst.

Nun zurück zu den Leiterplatten und einigen Merkmalen ihres Designs mit COB-Technologie. Die Technologie wird verwendet, um Kosten zu senken oder im Falle einer Mikro-Mini-Nutzung die Schaffung von Multi-Chip-Modulen und Baugruppen (insbesondere LED). In Abb. 6 zeigt ein Bild von einer der PräsentationenWurth Electronics zu diesem Thema mit Designempfehlungen. Die vorgestellten Größenbeschränkungen können als Richtlinie dienen. Es wird außerdem empfohlen, das 3D-Modell des Kochwerkzeugs zu verwenden, um die Verfügbarkeit aller KPs zu überprüfen, um bereits bestehende Probleme zu vermeiden. Es ist wichtig zu beachten, dass die Maske auf der Leiterplatte in der Schweißzone entfernt wird, um die Arbeitsebene des Kochwerkzeugs nicht zu beeinträchtigen. Es ist besser, den Bereich unter dem Kristall nicht zum Nachzeichnen zu verwenden, sondern das Montagekissen dort zu platzieren (wie in der Abbildung), insbesondere wenn die Basis des Kristalls Potenzial hat oder auf einem leitfähigen Klebstoff montiert werden muss, um die Wärmeableitung zu erhöhen. Das Anbringen des Kristalls an der Maske ist möglich, insbesondere im Fall einer weiteren Verbindung des Kristalls. Der Kristall kann auch in einem Ausschnitt in einer Leiterplatte montiert werden.PCB-Hohlraum) mit der Position des CP in derselben topologischen Schicht oder höher.

Die nächste Nuance in Bezug auf die Verfolgung ist die Empfehlung, die Steuereinheit auf der Leiterplatte in Richtung der Schweißschleifen für den Golddraht auszurichten. Ich habe seine Gültigkeit nur beim Schreiben eines Dekomprimierungsprogramms verstanden. Die Quintessenz ist, dass der zweite Kochpunkt am Rand der Kapillare gebildet wird (Abb. 7), und beim Schreiben eines Programms wird dessen Zentrum angezeigt, was in großen Winkeln dazu führt, dass dies berücksichtigt und die Position des Punkts im Programm verschoben werden muss. Mit anderen Worten, es ist bequemer, aber dies ist keine grundlegende Einschränkung, und die Bequemlichkeit der Rückverfolgung hat eine höhere Priorität.

In der Branche besteht Konsens über die Endbeschichtung von Leiterplatten: ENIG reicht für das Schweißen mit Aluminiumdraht, ENEPIG oder galvanischem Gold für Golddraht (Abb. 8). Warum können Sie die billigere und kostengünstigere ENIG nicht zum Schweißen mit Golddraht verwenden? Die Antwort, die gefunden werden konnte, ist, dass Nickeldrift zu einer Verschlechterung der Schweißverbindung mit einer signifikanten Abnahme ihrer Zuverlässigkeit führt. Und in ENEPIG dient Palladium als Barriereschicht, die diese Drift verhindert. Es ist durchaus akzeptabel, ENIG zum Debuggen von Proben zu verwenden, zumal die Schweißparameter bei sonst gleichen Bedingungen für diese Beschichtungen nahe beieinander liegen. ENEPIG wird in vielen Quellen direkt als empfohlene Beschichtung angegeben und liefert Daten zu Zuverlässigkeitstests [7, 8].

Besonderes Augenmerk wird auch auf das Problem der Bildung unerwünschter intermetallischer Au-Al-Verbindungen („Purpurpest“ und andere beängstigende Wörter) gelegt, die beim Schweißen mit einem Golddraht auf einem Aluminiumkristallchip oder mit einem Aluminiumdraht auf ENIG auftreten. Diese Frage ist recht komplex und für mein umfassendes Verständnis der notwendigen Kenntnisse der Chemie leider nicht. Die Schlussfolgerung ist, dass die Dekompression im Au-Al-System eine potenzielle Fehlerquelle darstellt, insbesondere bei hohen Temperaturen, und gründlich auf Zuverlässigkeit getestet werden sollte. Die Maximierung der Auszugskraft ist eine der Strategien, da die Festigkeit des Schweißens und die langfristige Zuverlässigkeit miteinander verbunden sind (eine dünnere intermetallische Schicht mit einer größeren Beschichtungsfläche).

Aufgrund der dünnen Goldschicht ist der Schwachpunkt des Abwickelns des Kugelkeils bei ENEPIG der zweite Schweißpunkt. Die Aufgabe, ein qualitativ hochwertiges Abwickeln zu erzielen, wird auch durch die Kontamination des KP nach der Phase der Oberflächenmontage von Bauteilen auf einer Leiterplatte erschwert. Es gibt zwei Methoden, um die Zuverlässigkeit zu erhöhen: mit einer verstärkten Beule nach dem Schweißen (englische Sicherheitsbeule / Kugel), SB) und mit vorläufigem Anstoßen (englischer Ballstich auf Ball, BSOB oder Abstandsstich, SOS) (Abb. 9). Ein zusätzlicher Optimierungsparameter bei diesen Technologien ist die Verschiebung der Erhebung relativ zum Schweißpunkt [9, 10]. Aus eigener Erfahrung kann ich sagen, dass sich BSOB für COB gut gezeigt hat. BSOB ist übrigens auch gut, weil Sie damit den zweiten Schweißpunkt auf den Kristall legen können (englisches Reverse Bonding) und das Schweißen zwischen den Kristallen direkt in Multi-Chip-Baugruppen durchführen können. Ich würde mich freuen, wenn Sie in den Kommentaren Ihre Erfahrungen mit SB / BSOB und ENIG / ENEPIG teilen.

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[1] J. Gomes, M. Mayer, B. Lin, „Entwicklung einer schnellen Methode zur Optimierung des Au-Ball-Bond-Prozesses“, 2015
[2] Byung-Chan Kim, Seok-Jae Ha usw. „Optimierung der Prozessfähigkeit von Kugelbindungen mithilfe der Analyse der Reaktionsoberfläche in LED-Drahtbindungen mit Leuchtdioden“, 2017
[3] Hui Xu, Changqing Liu usw., „Anfängliche Bindungsbildung bei thermosonischen Goldkugeln auf Aluminiummetallisierungspads“, 2010
[4] Hui Xu, Changqing Liu usw. "Die Rolle der Bindungsdauer bei der Bildung von Drahtbindungen: eine Untersuchung der Fußabdrücke von thermosonischem Golddraht auf Aluminiumkissen", 2010
[5] Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, "Experimentelle Untersuchung des dynamischen Schleifenprozesses für die thermosonische Drahtbindung", 2012
[6]Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, „Einfluss der Kapillarspur auf die Entwicklung des dynamischen Schleifenprofils beim Thermosonic Wire Bonding“, 2012
[7] Chun-Hsien Fu, Liang-Yi Hung usw. „Bewertung der Oberflächenbeschaffenheit neuer Substrate: Chemisches Nickel / Chemisches Palladium / Immersionsgold (ENEPIG)“, 2008
[8] Kuldip Johal, Sven Lamprecht, Hugh Roberts, „Chemisches Nickel / Chemisches Palladium / Immersionsvergoldungsverfahren für Gold und Aluminium -Drahtbindung für Hochtemperaturanwendungen “, 2000
[9] Chunyan Nan, Michael Mayer usw. „Goldene Beule zur Verbesserung der Drahtbindung bei einem Durchmesser von 20 Mikron bei reduzierter Prozesstemperatur“, 2011
[10] Young K. Song und Vanja Bukva, „Herausforderungen an fertige ENEPIG-Leiterplatten: Goldkugelbindung und Pad Metal Lift“, 2017