SamsPcbGuide, Part 14: Technology - Microdevelopment and Chip-On-Technology Technology

Dans cet article auto-isolant, je parlerai de la liaison filaire des micro-fils (bonding anglais). Dans le cadre des cartes de circuits imprimés, nous nous concentrerons sur la technologie de montage des cristaux sur une carte de circuits imprimés (chip-on-board anglais, COB). N'oubliez pas de regarder la vidéo sur les liens, la micro-soudure est très belle!

Le soudage fournit une connexion électrique du cristal avec les résultats du boîtier (lors de l'emballage de la puce), ou directement avec les conducteurs de la carte de circuit imprimé (technologie COB). Une autre méthode de connexion électrique est le montage inversé du cristal (flip-chip anglais), à la fois dans la conception du boîtier lui-même et directement sur la carte de circuit imprimé (Fig. 1).

L'installation à l'aide de fils micro-conducteurs est apparue après les premiers circuits intégrés au début des années 1960 et a été utilisée avec succès à ce jour. L'installation inversée est une technologie moderne qui a surgi en réponse aux exigences d'augmenter le nombre de conclusions, d'augmenter la vitesse et de réduire les dimensions. Cependant, il a un certain nombre de limites de conception associées à l'assurance de la fiabilité (j'ai écrit à ce sujet en détail ici ), et est technologiquement plus complexe.

Cet article n'examinera pas en détail la classification et la théorie des différentes méthodes de soudage - il s'agit d'un matériau très volumineux qui dépasse le cadre de la question en discussion. Le fait est qu'au cours de sa longue histoire, la technologie de connexion des fils de microréseau s'est développée dans le sens d'une stabilité, d'une fiabilité et d'une rapidité accrues du processus d'assemblage, élargissant les capacités des équipements à créer des boucles de soudage de forme complexe et à haute densité d'installation (Fig.2). Une variété de tâches et le manque de technologie universelle ont conduit au processus de recherche au développement de diverses méthodes de soudage. Examinez brièvement les principaux points. Malgré la variété des méthodes, un principe commun à tous est quequ'un joint soudé se forme à la suite de la pression et du chauffage des surfaces en contact à une température élevée jusqu'à la formation de composés interatomiques (le plus souvent, ce sont des composés intermétalliques). Selon la méthode de chauffage, le déroulement est divisé selon les principaux types suivants: thermocompression (chauffage externe), ultrasonique (frottement avec une impulsion ultrasonique), thermosonique (une combinaison de chauffage externe et impulsion ultrasonique) et contact (soudage par impulsion avec courant électrique). Les principaux matériaux utilisés pour les terminaux à microcâbles sont l'aluminium, l'or et le cuivre. Le cuivre est utilisé à la place de l'or pour réduire le coût, mais il est plus dur et s'oxyde aussi rapidement dans l'air, ce qui complique le processus de soudage et nécessite un équipement plus sophistiqué qui crée une atmosphère inerte dans la zone de soudage (azote ou gaz de moulage).La conductivité élevée du cuivre est un moteur pour remplacer l'aluminium dans la panne des appareils électriques, malgré le processus de fabrication plus complexe.

L'axe du fil lors du déroulement peut être orienté en parallèle - il s'agit d'un coin de type coin (eng. Wedge bond), ou perpendiculairement - il s'agit d'une soudure de type coin (eng. Ball bond) (Fig.3). La boucle a le plus souvent deux points de contact, par conséquent, selon le type de points de soudage, les méthodes de soudage sont divisées en «boule-coin» et «coin-coin». Les plus courants sont le soudage par ultrasons avec un fil en aluminium à coin de calage ( vidéo ) et le soudage par thermo-son avec un type de coin à billes en or / cuivre ( vidéo ). Dans ce dernier cas, la pointe du fil est fusionnée avec une décharge d'étincelle ( vidéo ) pour former une boule , ce qui ajoute seulement de l'épicité et de la beauté au processus de soudage. Pour les appareils électriques, des bandes d'aluminium et d'or sont utilisées ( vidéo avec bande son chic).

Les paramètres clés du soudage par ultrasons / thermosonique sont la force de soudage, la puissance et la durée de l'impulsion ultrasonore. Leur combinaison pour une configuration de soudage donnée, un fil spécifique (diamètre, rigidité), un outil de cuisson spécifique, des paramètres spécifiques du plot de contact (taille, matériau) doivent assurer la répétabilité du processus de soudage avec des paramètres de fiabilité de connexion garantis. Les paramètres contrôlés directement sont l'apparence, la force d'arrachement (test de traction mécanique) et la force de cisaillement (test de cisaillement mécanique) (Fig.4), indirectement - les défaillances pendant le cycle thermique et d'autres tests dans le produit.

La sélection des paramètres est en quelque sorte une procédure magique, mais il existe un certain nombre de recommandations. En général, il est effectué par la méthode de piquer scientifiqueexpérience de conception (DOE), c'est-à-dire énumération séquentielle des paramètres dans une certaine plage. Dans cette recherche, vous pouvez vous baser sur les résultats publiés sur l'optimisation des paramètres (par exemple, les articles [1, 2]), sur les recommandations du fabricant de l'équipement et, bien sûr, sur l'expérience acquise. Ensuite, un test de découplage est effectué pour chaque ensemble de paramètres, suivi d'un contrôle de l'apparence et des efforts de séparation / décalage. Pour contrôler l'apparence, une augmentation de x100 avec la capacité de mesurer des dimensions linéaires suffit (Fig.5), un équipement spécialisé est utilisé pour mesurer les forces de déchirure / décalage (pour les tâches de laboratoire, par exemple, vous pouvez utiliser un gramme mètre avec un crochet, et déplacer manuellement et examiner la forme de la fracture aux grossissements x100 ... 200 et plus).Pour évaluer l'apparence, il est important de regarder autant de micrographies des points de soudure beaux et laids que possible (iciici et ici, par exemple, il existe de bonnes microphotographies avec une description), car selon mon expérience, il existe une corrélation entre la beauté du déballage et sa qualité. De plus, avec l'expérience, on comprend comment les faire varier lors du réglage des paramètres pour obtenir le résultat souhaité (il n'y a pas assez d'effort lors du soudage ou trop de puissance), c'est-à-dire que la recherche devient de plus en plus consciente et directionnelle. À un moment donné, la lecture des articles des théories de la formation du soudage et de l'influence des paramètres sur sa qualité m'a beaucoup aidé [3, 4]. Et pourtant, ces articles tout aussi beaux [5, 6], où les auteurs (monuments pour le dire ainsi) ont étudié la formation d'une boucle à l'aide d'une caméra à grande vitesse. Et donc, le nombre d'articles lus pour finir jusqu'à 100, le nombre de cavaliers bouillis et déchirés jusqu'à 10 000 et la magie dans ce processus sera légèrement inférieure. Encore beaucoup de l'installation,Bien sûr, cela dépend - dans une lutte acharnée, j'ai tiré le maximum de la machine biélorusse EM-4450.

Revenons maintenant aux cartes de circuits imprimés et à certaines caractéristiques de leur conception utilisant la technologie COB. La technologie est utilisée pour réduire les coûts ou en cas de micro-mini-utilisation, la création de modules et assemblages multi-puces (notamment LED). En figue. 6 montre une image d'une des présentationsWurth Electronics sur ce sujet avec des recommandations de conception. Les restrictions de taille présentées peuvent servir de guide, il est en outre recommandé d'utiliser le modèle 3D de l'outil de cuisson pour vérifier la disponibilité de tous les KP afin d'éviter des problèmes déjà en fait. Il est important de noter que le masque est retiré sur la carte de circuit imprimé dans la zone de soudure, afin de ne pas interférer avec le plan de travail de l'outil de cuisson. Il est préférable de ne pas utiliser la zone sous le cristal pour le traçage, mais d'y placer le tampon de montage (comme sur la figure), surtout si la base du cristal a du potentiel ou doit être montée sur un adhésif conducteur pour augmenter la dissipation thermique. Le montage du cristal sur le masque est possible, en particulier dans le cas d'une composition supplémentaire du cristal. Le cristal peut également être monté dans une découpe dans une carte de circuit imprimé.cavité PCB) avec l'emplacement du CP dans la même couche topologique ou plus.

La nuance suivante concernant le traçage est la recommandation d'orienter l'unité de commande sur la carte de circuit imprimé dans le sens des boucles de soudage pour le fil d'or. J'ai compris sa validité uniquement lors de l'écriture d'un programme de décompression. L'essentiel, c'est que le deuxième point de cuisson est formé sur le bord du capillaire (Fig.7), et lors de l'écriture d'un programme, son centre est indiqué, ce qui, à grands angles, oblige à en tenir compte et à déplacer l'emplacement du point dans le programme. En d'autres termes, c'est plus pratique, mais ce n'est pas une limitation fondamentale, et la commodité du traçage a une priorité plus élevée.

Il existe un consensus concernant le revêtement de finition des cartes de circuits imprimés dans l'industrie: ENIG est suffisant pour le soudage avec du fil d'aluminium, ENEPIG ou de l'or galvanique pour du fil d'or (Fig. 8). Pourquoi ne pouvez-vous pas utiliser l'ENIG moins cher et plus abordable pour le soudage avec du fil d'or? La réponse qui pourrait être trouvée est que la dérive du nickel entraîne une dégradation du joint soudé avec une diminution significative de sa fiabilité. Et dans ENEPIG, le palladium sert de couche barrière qui empêche cette dérive. Il est tout à fait acceptable d'utiliser ENIG pour le débogage d'échantillons, d'autant plus que les paramètres de soudage, ceteris paribus pour ces revêtements, sont proches. ENEPIG est directement indiqué comme revêtement recommandé dans de nombreuses sources et fournit des données sur les tests de fiabilité [7, 8].

Une grande attention est également accordée au problème de la formation de composés intermétalliques Au-Al indésirables («peste violette» et autres mots effrayants) qui se produisent lors du soudage avec un fil d'or sur un cristal d'aluminium CP ou avec un fil d'aluminium sur ENIG. Cette question est assez complexe et pour ma pleine compréhension des connaissances nécessaires en chimie, je ne le fais malheureusement pas. La conclusion est que la décompression dans le système Au-Al est une source potentielle de défaillances, en particulier à des températures élevées, et sa fiabilité doit être minutieusement testée. Maximiser la force d'arrachement est l'une des stratégies, car la solidité du soudage et la fiabilité à long terme sont liées (une couche intermétallique plus mince avec une plus grande surface de revêtement).

En raison de la mince couche d'or, le point faible du déroulement à billes sur ENEPIG est le deuxième point de soudure. La tâche d'obtenir un déroulement de haute qualité est également compliquée par la contamination du KP après l'étape de montage en surface des composants sur une carte de circuit imprimé. Il existe deux méthodes pour augmenter la fiabilité: avec une bosse renforcée après le soudage ( bosse / boule de sécurité anglaise, SB) et avec un accrochage préliminaire (point de balle anglais sur ballon, BSOB, ou point d'arrêt, SOS) (Fig. 9). Un paramètre d'optimisation supplémentaire dans ces technologies est le déplacement de la bosse par rapport au point de soudure [9, 10]. D'après ma propre expérience, je peux dire que BSOB s'est bien montré pour COB. Soit dit en passant, BSOB est également bon car il vous permet de placer le deuxième point de soudage sur le cristal (collage inversé en anglais) et d'effectuer le soudage entre les cristaux directement dans des assemblages multipuces. Je serais heureux si dans les commentaires partagez votre expérience avec SB / BSOB et ENIG / ENEPIG.

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[1] J. Gomes, M. Mayer, B. Lin, «Développement d'une méthode rapide pour l'optimisation du processus de liaison au ballon», 2015
[2] Byung-Chan Kim, Seok-Jae Ha, etc. «Optimisation de la capacité de processus de la liaison par billes à l'aide de l'analyse de surface de réponse dans la liaison de fils à diode électroluminescente (LED)», 2017
[3] Hui Xu, Changqing Liu, etc.
[4] Hui Xu, Changqing Liu, etc. "Le rôle de la durée de collage dans la formation de liaison par fil: une étude des empreintes de fil d'or thermosonique sur un tampon en aluminium", 2010
[5] Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, "Étude expérimentale du processus de bouclage dynamique pour la liaison de fil thermosonique", 2012
[6]Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, «Effet de la trace capillaire sur l'évolution du pro fi l de boucle dynamique dans la liaison des fils thermosoniques», 2012
[7] Chun-Hsien Fu, Liang-Yi Hung, etc. «Évaluation du nouveau fini de surface du substrat: nickel autocatalytique / palladium autocatalytique / or par immersion (ENEPIG)», 2008
[8] Kuldip Johal, Sven Lamprecht, Hugh Roberts, «Procédé de placage autocatalytique au nickel / palladium autocatalytique / immersion pour l'or et l'aluminium de fils métalliques conçus pour des applications à haute température », 2000
[9] Chunyan Nan, Michael Mayer, etc. «Bosse dorée pour l'amélioration de la liaison des fils de 20 microns de diamètre à température de processus réduite», 2011
[10] Young K. Song et Vanja Bukva, «Les défis des PCB finis ENEPIG: Gold Ball Bonding et Pad Metal Lift», 2017