SamsPcbGuide, Parte 14: Tecnología - Microdesarrollo y tecnología de chip en placa

En este artículo autoaislante, hablaré sobre la conexión de cables de microcables (unión de cables en inglés). En el contexto de las placas de circuito impreso, nos centraremos en la tecnología de montaje de cristales en una placa de circuito impreso (inglés chip-on-board, COB). Asegúrese de ver el video en los enlaces, ¡el microondas es muy hermoso!

La soldadura proporciona una conexión eléctrica del cristal con los hallazgos de la caja (cuando se empaqueta el chip), o directamente con los conductores de la placa de circuito impreso (tecnología COB). Un método alternativo de conexión eléctrica es el montaje invertido del cristal (inglés flip-chip), tanto en el diseño de la caja como directamente en la placa de circuito impreso (Fig. 1).

La instalación con cables de microhilo apareció después de los primeros circuitos integrados a principios de la década de 1960 y se ha utilizado con éxito hasta el día de hoy. La instalación invertida es una tecnología moderna que ha surgido en respuesta a los requisitos de aumentar el número de conclusiones, aumentar la velocidad y reducir las dimensiones. Sin embargo, tiene una serie de limitaciones de diseño asociadas con la garantía de confiabilidad (escribí sobre esto en detalle aquí ), y es tecnológicamente más complejo.

Este artículo no examinará en detalle la clasificación y la teoría de varios métodos de soldadura: este es un material muy voluminoso que va más allá del alcance del tema en discusión. El hecho es que a lo largo de su larga historia, la tecnología de conexión de cables de microhilos se ha desarrollado en las áreas de mayor estabilidad, confiabilidad, velocidad del proceso de ensamblaje, ampliando las capacidades de los equipos para crear bucles de soldadura de forma compleja y alta densidad de instalación (Fig.2). Una variedad de tareas y la falta de tecnología universal condujeron en el proceso de búsqueda al desarrollo de varios métodos de soldadura. Considere brevemente los puntos principales. A pesar de la variedad de métodos, un principio común para todos es queque se forma una junta soldada como resultado de la presión y el calentamiento de las superficies de contacto a una temperatura alta hasta la formación de compuestos interatómicos (la mayoría de las veces son compuestos intermetálicos). Dependiendo del método de calentamiento, el desglose se divide en los siguientes tipos principales: soldadura por termocompresión (calentamiento externo), ultrasónica (fricción con pulso ultrasónico), termosónica (una combinación de calentamiento externo y pulso ultrasónico) y de contacto (calentamiento por pulso con corriente eléctrica). Los principales materiales para terminales de microhilos son aluminio, oro, cobre. El cobre se usa en lugar del oro para reducir el costo, pero es más duro y también se oxida rápidamente en el aire, lo que complica el proceso de soldadura y requiere un equipo más sofisticado que cree una atmósfera inerte en la zona de soldadura (nitrógeno o gas de moldeo).La alta conductividad del cobre es un impulsor para reemplazar el aluminio en la descomposición de los dispositivos de alimentación, a pesar del proceso de fabricación más complejo.

El eje del alambre durante el desenrollado puede orientarse en paralelo: se trata de una cuña de tipo cuña (enlace de cuña inglesa), o perpendicularmente es una soldadura de tipo cuña (unión de bola inglesa) (Fig.3). El bucle con mayor frecuencia tiene dos puntos de contacto, por lo tanto, según el tipo de puntos de soldadura, los métodos de soldadura se dividen en "cuña de bola" y "cuña de cuña". Los más comunes son la soldadura ultrasónica con alambre de aluminio de cuña-cuña ( video ) y la soldadura por sonido térmico con tipo de cuña de bolas de oro / cobre ( video ). En el último caso, la punta del alambre se fusiona con una descarga de chispa ( video ) para formar una bola , que solo agrega epicidad y belleza al proceso de soldadura. Para los dispositivos de alimentación, se utilizan cintas de aluminio y oro ( video con banda sonora elegante).

Los parámetros clave en la soldadura ultrasónica / termosónica son la fuerza de soldadura, la potencia y la duración del pulso ultrasónico. Su combinación para una configuración de soldadura determinada, un cable específico (diámetro, rigidez), una herramienta de cocción específica, parámetros específicos de la almohadilla de contacto (tamaño, material) deben garantizar la repetibilidad del proceso de soldadura con parámetros de fiabilidad de conexión garantizados. Los parámetros controlados directamente son la apariencia, la fuerza de extracción (prueba de tracción del motor) y la fuerza de corte (prueba de corte de la ingeniería) (Fig. 4), indirectamente: fallas durante el ciclo térmico y otras pruebas en el producto.

La selección de parámetros es de alguna manera un procedimiento mágico, pero hay una serie de recomendaciones. En general, se lleva a cabo por el método de empuje científicoexperimento de diseño (DOE), es decir, enumeración secuencial de parámetros en un cierto rango. En esta búsqueda, puede aprovechar los resultados publicados sobre la optimización de parámetros (por ejemplo, los artículos [1, 2]), las recomendaciones del fabricante del equipo y, por supuesto, la experiencia adquirida. A continuación, se realiza el desacoplamiento de prueba para cada conjunto de parámetros, seguido por el control de la apariencia y los esfuerzos de separación / cambio. Para controlar la apariencia, un aumento de x100 con la capacidad de medir dimensiones lineales es suficiente (Fig. 5), se usa un equipo especializado para medir las fuerzas de desgarro / cambio (para tareas de laboratorio, por ejemplo, puede usar un gramómetro con un gancho, y cambiar manualmente y examinar la forma de la fractura con aumentos x100 ... 200 y más).Para evaluar la apariencia, es importante observar tantas micrografías de los puntos de soldadura hermosos y feos como sea posible (aquíaqui y aqui, por ejemplo, hay algunas buenas microfotografías con una descripción), porque en mi experiencia hay una correlación entre la belleza del desenvolvimiento y su calidad. Además, con experiencia, se comprende cómo variarlos al establecer los parámetros para obtener el resultado deseado (no hay suficiente esfuerzo al soldar o demasiada potencia), es decir, la búsqueda se vuelve cada vez más consciente y direccional. En un momento, leer los artículos de las teorías de la formación de soldadura y la influencia de los parámetros en su calidad me ayudó mucho [3, 4]. Y sin embargo, estos artículos igualmente no menos bellos [5, 6], donde los autores (monumentos para decirlo de esta manera) investigaron la formación de un bucle utilizando una cámara de alta velocidad. Y así, el número de artículos leídos para terminar hasta 100, el número de puentes hervidos y rotos hasta 10,000 y la magia en este proceso será un poco menor. Todavía mucho de la instalación,Por supuesto, depende: en una lucha amarga, exprimí al máximo la máquina bielorrusa EM-4450.

Ahora volvamos a las placas de circuito impreso y algunas características de su diseño utilizando la tecnología COB. La tecnología se utiliza para reducir costos o, en caso de micro-mini-utilización, la creación de módulos y ensambles de múltiples chips (en particular, LED). En la Fig. 6 muestra una imagen de una de las presentacionesWurth Electronics sobre este tema con recomendaciones de diseño. Las restricciones de tamaño presentadas pueden servir como una guía, además se recomienda usar el modelo 3D de la herramienta de cocción para verificar la disponibilidad de todos los KP para evitar problemas que de hecho ya existen. Es importante tener en cuenta que la máscara se quita en la placa de circuito impreso en la zona de soldadura, para no interferir con el plano de trabajo de la herramienta de cocción. Es mejor no usar el área debajo del cristal para el trazado, sino colocar la almohadilla de montaje allí (como en la figura), especialmente si la base del cristal tiene potencial o necesita ser montada en un adhesivo conductor para aumentar la disipación de calor. Es posible montar el cristal en la máscara, especialmente en el caso de una composición adicional del cristal. El cristal también se puede montar en un corte en una placa de circuito impreso.PCB) con la ubicación de la PC en la misma capa topológica o superior.

El siguiente matiz con respecto al trazado es la recomendación de orientar la unidad de control en la placa de circuito impreso en la dirección de los bucles de soldadura para el alambre de oro. Entendí su validez solo al escribir un programa de descompresión. La conclusión es que el segundo punto de cocción se forma en el borde del capilar (Fig.7), y al escribir un programa, se indica su centro, lo que a grandes ángulos conlleva la necesidad de tener esto en cuenta y cambiar la ubicación del punto en el programa. En otras palabras, es más conveniente, pero esto no es una limitación fundamental, y la conveniencia del rastreo tiene una prioridad más alta.

Existe un consenso con respecto al revestimiento de acabado de placas de circuito impreso en la industria: ENIG es suficiente para soldar con alambre de aluminio, ENEPIG u oro galvánico para alambre de oro (Fig. 8). ¿Por qué no puede usar el ENIG más barato y más asequible para soldar con alambre de oro? La respuesta que se puede encontrar es que la deriva de níquel conduce a la degradación de la unión soldada con una disminución significativa en su confiabilidad. Y en ENEPIG, el paladio sirve como una capa de barrera que evita esta deriva. Es bastante aceptable usar ENIG para depurar muestras, sobre todo porque los parámetros de soldadura, en igualdad de condiciones, son similares para estos recubrimientos. ENEPIG se indica directamente como un recubrimiento recomendado en muchas fuentes, y proporciona datos sobre pruebas de fiabilidad [7, 8].

También se presta mucha atención al problema de la formación de compuestos intermetálicos de Au-Al indeseables (“peste púrpura” y otras palabras aterradoras) que ocurren cuando se suelda con un alambre de oro en un CP de cristal de aluminio o con un alambre de aluminio en ENIG. Esta pregunta es bastante compleja y, para mi total comprensión del conocimiento necesario de la química, desafortunadamente no lo hago. La conclusión es que la descompresión en el sistema Au-Al es una fuente potencial de fallas, especialmente a altas temperaturas, y se debe probar a fondo su confiabilidad. Maximizar la fuerza de extracción es una de las estrategias, ya que la resistencia de la soldadura y la fiabilidad a largo plazo están conectadas (una capa intermetálica más delgada con un área de recubrimiento más grande).

Debido a la fina capa de oro, el punto débil del desenrollado de la cuña de bola en ENEPIG es el segundo punto de soldadura. La tarea de obtener un desenrollado de alta calidad también se complica por la contaminación del KP después de la etapa de montaje en superficie de los componentes en una placa de circuito impreso. Existen dos métodos para aumentar la confiabilidad: con una protuberancia reforzada después de la soldadura ( protuberancia / bola de seguridad inglesa, SB) y con golpes preliminares (puntada de bola inglesa sobre bola, BSOB o puntada de soporte, SOS) (Fig. 9). Un parámetro de optimización adicional en estas tecnologías es el desplazamiento de la protuberancia en relación con el punto de soldadura [9, 10]. Desde mi propia experiencia, puedo decir que BSOB se ha mostrado bien para COB. Por cierto, BSOB también es bueno porque le permite colocar el segundo punto de soldadura en el cristal (enlace inverso en inglés) y realizar la soldadura entre los cristales directamente en conjuntos de múltiples chips. Me gustaría que en los comentarios comparta su experiencia con SB / BSOB y ENIG / ENEPIG.

, , - . ( ), , . , , . « » – .

, #SamsPcbGuide! – #, . #SamsPcbCalc. , . , , . , , - !

[1] J. Gomes, M. Mayer, B. Lin, "Desarrollo de un método rápido para la optimización del proceso de Au Ball Bond", 2015
[2] Byung-Chan Kim, Seok-Jae Ha, etc. "Optimización de la capacidad del proceso de unión de bolas mediante análisis de superficie de respuesta en unión de cables de diodos emisores de luz (LED)", 2017
[3] Hui Xu, Changqing Liu, etc., "Formación de unión inicial en unión de bolas de oro termosónico en almohadillas de metalización de aluminio", 2010
[4] Hui Xu, Changqing Liu, etc. "El papel de la duración de la unión en la formación de la unión de alambre: un estudio de huellas de alambre de oro termosónico en la almohadilla de aluminio", 2010
[5] Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, "Estudio experimental del proceso de bucle dinámico para la unión de alambre termosónico", 2012
[6]Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, "Efecto de la traza capilar en la evolución del perfil de bucle dinámico en la unión de cables termosónicos", 2012
[7] Chun-Hsien Fu, Liang-Yi Hung, etc. "Evaluación del nuevo acabado de la superficie del sustrato: níquel electrolítico / paladio electrolítico / oro de inmersión (ENEPIG)", 2008
[8] Kuldip Johal, Sven Lamprecht, Hugh Roberts, "Niquel electrolítico / paladio electrolítico / proceso de chapado en oro de inmersión para oro y aluminio de unión por cable diseñado para aplicaciones de alta temperatura ", 2000
[9] Chunyan Nan, Michael Mayer, etc. “Golpe de oro para la mejora de la unión del alambre de 20 micrones de diámetro a temperatura de proceso reducida”, 2011
[10] Young K. Song y Vanja Bukva, “Desafíos en los PCB terminados ENEPIG: unión de bolas de oro y elevación de metal de almohadilla”, 2017