SamsPcbGuide, Bagian 14: Teknologi - Pengembangan Mikro dan Teknologi Chip-On-Board

Dalam artikel isolasi-diri ini, saya akan berbicara tentang ikatan kawat mikro-lead (ikatan kawat Inggris). Dalam konteks papan sirkuit tercetak, kami akan fokus pada teknologi pemasangan kristal pada papan sirkuit tercetak (English chip-on-board, COB). Pastikan untuk menonton video di tautan, microwelding sangat indah!

Pengelasan menyediakan koneksi listrik kristal dengan temuan kasing (saat mengemas chip), atau langsung dengan konduktor papan sirkuit cetak (teknologi COB). Metode alternatif sambungan listrik adalah pemasangan terbalik kristal (chip flip-Inggris), baik dalam desain kasing itu sendiri maupun langsung pada papan sirkuit tercetak (Gbr. 1).

Instalasi menggunakan lead microwire muncul setelah sirkuit terpadu pertama di awal 1960-an dan telah berhasil digunakan hingga hari ini. Instalasi terbalik adalah teknologi modern yang muncul sebagai respons terhadap persyaratan peningkatan jumlah kesimpulan, peningkatan kecepatan, dan pengurangan dimensi. Namun, ia memiliki sejumlah keterbatasan desain yang terkait dengan memastikan keandalan (saya menulis tentang ini secara rinci di sini ), dan secara teknologi lebih kompleks.

Artikel ini tidak akan membahas secara rinci klasifikasi dan teori berbagai metode pengelasan - ini adalah bahan yang sangat produktif yang melampaui ruang lingkup masalah yang dibahas. Faktanya adalah bahwa selama sejarahnya yang panjang, teknologi yang menghubungkan kabel microwire telah berkembang di bidang peningkatan stabilitas, keandalan, kecepatan proses perakitan, memperluas kemampuan peralatan untuk membuat loop pengelasan dengan bentuk yang rumit dan kepadatan instalasi yang tinggi (Gbr. 2). Berbagai tugas dan kurangnya teknologi universal menyebabkan proses pencarian untuk pengembangan berbagai metode pengelasan. Pertimbangkan secara singkat poin utama. Terlepas dari beragam metode, prinsip umum untuk semua adalah itubahwa sambungan yang dilas terbentuk sebagai akibat dari tekanan dan pemanasan permukaan yang bersentuhan pada suhu tinggi sampai pembentukan senyawa interatomik (paling sering ini adalah senyawa intermetalik). Tergantung pada metode pemanasan, pengelasan dibagi menjadi beberapa jenis utama berikut: termokompresi (pemanasan eksternal), ultrasonik (gesekan dengan pulsa ultrasonik), termosonik (kombinasi pemanasan eksternal dan pulsa ultrasonik) dan pengelasan kontak (pemanasan pulsa dengan arus listrik). Bahan utama untuk terminal microwire adalah aluminium, emas, tembaga. Tembaga digunakan sebagai pengganti emas untuk mengurangi biaya, tetapi lebih sulit dan juga teroksidasi dengan cepat di udara, yang memperumit proses pengelasan dan membutuhkan peralatan yang lebih canggih yang menciptakan atmosfer lembam di zona pengelasan (nitrogen atau gas cetakan).Konduktivitas tembaga yang tinggi adalah pendorong untuk mengganti aluminium dalam kerusakan perangkat daya, meskipun proses pembuatannya lebih kompleks.

Sumbu kawat selama bukaan dapat diorientasikan secara paralel - ini adalah irisan tipe baji (ikatan baji Inggris), atau secara tegak lurus itu adalah pengelasan baji (ikatan bola bahasa Inggris) (Gbr. 3). Loop paling sering memiliki dua titik kontak, oleh karena itu, sesuai dengan jenis titik pengelasan, metode pengelasan dibagi menjadi "ball-wedge" dan "wedge-wedge". Yang paling umum adalah pengelasan ultrasonik dengan kawat aluminium baji-baji ( video ) dan pengelasan termo-bunyi dengan jenis baji-bola emas / tembaga ( video ). Dalam kasus terakhir, ujung kawat menyatu dengan pelepasan percikan ( video ) untuk membentuk bola , yang hanya menambah episitas dan keindahan pada proses pengelasan. Untuk perangkat listrik, aluminium dan kaset emas digunakan ( video dengan soundtrack yang chic).

Parameter kunci dalam pengelasan ultrasonik / termosonik adalah kekuatan pengelasan, daya dan durasi pulsa ultrasonik. Kombinasi mereka untuk pengaturan pengelasan yang diberikan, kawat tertentu (diameter, kekakuan), alat memasak tertentu, parameter spesifik dari pad kontak (ukuran, bahan) harus memastikan pengulangan proses pengelasan dengan parameter keandalan koneksi terjamin. Parameter yang dikontrol secara langsung adalah penampilan, gaya tarik (uji Tarik. Eng) dan gaya geser (Uji geser.) (Gbr. 4), secara tidak langsung - kegagalan selama siklus termal dan tes lain dalam produk.

Pemilihan parameter dalam beberapa cara merupakan prosedur ajaib, tetapi ada sejumlah rekomendasi. Secara umum, ini dilakukan dengan metode poking ilmiaheksperimen desain (DOE), yaitu enumerasi berurutan parameter dalam rentang tertentu. Dalam pencarian ini, Anda dapat membangun hasil yang dipublikasikan pada optimasi parameter (misalnya, artikel [1, 2]), berdasarkan rekomendasi dari produsen peralatan, dan, tentu saja, berdasarkan pengalaman yang diperoleh. Selanjutnya, uji uncoupling dilakukan untuk setiap set parameter, diikuti oleh kontrol penampilan dan upaya pemisahan / pergeseran. Untuk mengontrol tampilan, peningkatan x100 dengan kemampuan untuk mengukur dimensi linier sudah cukup (Gbr. 5), peralatan khusus digunakan untuk mengukur gaya sobek / geser (untuk tugas-tugas laboratorium, misalnya, Anda dapat menggunakan gram meter dengan pengait, dan menggeser secara manual dan memeriksa bentuk fraktur. di perbesaran x100 ... 200 dan lebih banyak).Untuk menilai penampilan, penting untuk melihat sebanyak mungkin mikrograf titik las yang indah dan jelek (di sinidi sini dan di sini, misalnya, ada beberapa mikrophotograf yang bagus dengan deskripsi), karena menurut pengalaman saya ada korelasi antara keindahan yang terbuka dan kualitasnya. Selain itu, dengan pengalaman ada pemahaman tentang bagaimana memvariasikannya ketika menyesuaikan parameter untuk mendapatkan hasil yang diinginkan (tidak ada upaya yang cukup selama pengelasan atau terlalu banyak daya), yaitu, pencarian menjadi lebih sadar dan terarah. Pada suatu waktu, membaca artikel dari teori pembentukan pengelasan dan pengaruh parameter pada kualitasnya banyak membantu saya [3, 4]. Namun artikel yang tidak kalah indahnya ini [5, 6], di mana penulis (monumen untuk menjelaskannya) menyelidiki pembentukan loop menggunakan kamera berkecepatan tinggi. Jadi, jumlah artikel yang dibaca hingga mencapai 100, jumlah jumper rebus dan robek hingga 10.000 dan keajaiban dalam proses ini akan sedikit kurang. Masih sangat banyak dari instalasi,Tentu saja, itu tergantung - dalam perjuangan pahit saya memeras maksimal mesin Belarusia EM-4450.

Sekarang kembali ke papan sirkuit tercetak dan beberapa fitur desain mereka menggunakan teknologi COB. Teknologi ini digunakan untuk mengurangi biaya atau dalam hal pemanfaatan mini-mikro, pembuatan modul dan rakitan multi-chip (khususnya, LED). Dalam gbr. 6 menunjukkan gambar dari salah satu presentasiWurth Electronics tentang topik ini dengan rekomendasi desain. Pembatasan ukuran yang disajikan dapat berfungsi sebagai pedoman, juga direkomendasikan untuk menggunakan model 3D dari alat memasak untuk memeriksa ketersediaan semua KP untuk menghindari masalah yang sudah ada. Penting untuk dicatat bahwa masker dilepas pada papan sirkuit tercetak di zona lasan, agar tidak mengganggu bidang kerja alat memasak. Lebih baik tidak menggunakan area di bawah kristal untuk pelacakan, tetapi untuk menempatkan bantalan pemasangan di sana (seperti pada gambar), terutama jika dasar kristal memiliki potensi atau perlu dipasang pada perekat konduktif untuk meningkatkan pembuangan panas. Pemasangan kristal pada topeng dimungkinkan, terutama dalam kasus peracikan kristal lebih lanjut. Kristal juga dapat dipasang dalam cut-out di papan sirkuit tercetak.rongga pcb) dengan lokasi CP di lapisan topologi yang sama atau lebih tinggi.

Nuansa berikutnya tentang pelacakan adalah rekomendasi untuk mengarahkan unit kontrol pada papan sirkuit tercetak ke arah loop pengelasan untuk kawat emas. Saya mengerti validitasnya hanya ketika menulis program dekompresi. Intinya adalah bahwa titik memasak kedua dibentuk di tepi kapiler (Gbr. 7), dan ketika menulis sebuah program, pusatnya diindikasikan, yang pada sudut besar mengarah pada kebutuhan untuk mempertimbangkan hal ini dan menggeser lokasi titik tersebut dalam program. Dengan kata lain, ini lebih nyaman, tetapi ini bukan batasan mendasar, dan kenyamanan penelusuran memiliki prioritas yang lebih tinggi.

Ada konsensus dalam industri mengenai lapisan akhir dari papan sirkuit tercetak: ENIG cukup untuk pengelasan dengan kawat aluminium, ENEPIG atau emas galvanik untuk kawat emas (Gbr. 8). Mengapa Anda tidak bisa menggunakan ENIG yang lebih murah dan lebih terjangkau untuk pengelasan dengan kawat emas? Jawaban yang dapat ditemukan adalah bahwa penyimpangan nikel menyebabkan degradasi sambungan las dengan penurunan keandalannya yang signifikan. Dan dalam ENEPIG, paladium berfungsi sebagai lapisan penghalang yang mencegah penyimpangan ini. Sangat dapat diterima untuk menggunakan ENIG untuk debugging sampel, terlebih lagi karena parameter pengelasan, ceteris paribus untuk pelapis ini, sangat dekat. ENEPIG secara langsung diindikasikan sebagai pelapisan yang direkomendasikan di banyak sumber, dan menyediakan data tentang uji reliabilitas [7, 8].

Banyak perhatian juga diberikan pada masalah pembentukan senyawa intermetalik Au-Al yang tidak diinginkan ("wabah ungu" dan kata-kata menakutkan lainnya) yang terjadi ketika pengelasan dengan kawat emas pada chip kristal aluminium atau dengan kawat aluminium pada ENIG. Pertanyaan ini cukup kompleks dan untuk pemahaman penuh saya tentang pengetahuan kimia yang diperlukan, sayangnya saya tidak. Kesimpulannya adalah bahwa dekompresi dalam sistem Au-Al merupakan sumber kegagalan potensial, terutama pada suhu tinggi, dan harus diuji secara menyeluruh untuk keandalannya. Memaksimalkan gaya tarik adalah salah satu strategi, karena kekuatan pengelasan dan keandalan jangka panjang terhubung (lapisan intermetalik yang lebih tipis dengan area pelapisan yang lebih besar).

Karena lapisan tipis emas, titik lemah baji-bola yang terlepas pada ENEPIG adalah titik lasan kedua. Tugas mendapatkan pelepasan berkualitas tinggi juga rumit oleh kontaminasi KP setelah tahap pemasangan komponen di papan sirkuit cetak. Ada dua metode untuk meningkatkan keandalan: dengan bump yang diperkuat setelah pengelasan ( bump / bola keamanan Inggris), SB) dan dengan tabrakan pendahuluan (Bahasa Inggris stich on ball, BSOB, atau stich stand-off, SOS) (Gbr. 9). Parameter optimisasi tambahan dalam teknologi ini adalah perpindahan bump relatif ke titik pengelasan [9, 10]. Dari pengalaman saya sendiri, saya dapat mengatakan bahwa BSOB telah menunjukkan dirinya dengan baik untuk COB. Omong-omong, BSOB juga bagus karena memungkinkan Anda untuk menempatkan titik pengelasan kedua pada kristal (ikatan balik bahasa Inggris) dan melakukan pengelasan antara kristal secara langsung dalam rakitan multi-chip. Saya akan senang jika di komentar berbagi pengalaman Anda dengan SB / BSOB dan ENIG / ENEPIG.

, , - . ( ), , . , , . « » – .

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

[1] J. Gomes, M. Mayer, B. Lin, "Pengembangan Metode Cepat untuk Optimalisasi Proses Obligasi Au Ball", 2015
[2] Byung-Chan Kim, Seok-Jae Ha, dll. "Optimalisasi Kemampuan Proses Ikatan Bola Menggunakan Analisis Permukaan Respon dalam Light Emitting Diode (LED) Wire Bonding", 2017
[3] Hui Xu, Changqing Liu, dll.,
[4] Hui Xu, Changqing Liu, dll. "Peran durasi ikatan dalam pembentukan ikatan kawat: studi jejak kaki kawat emas termosonik pada pad aluminium", 2010
[5] Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, "Studi percobaan proses perulangan dinamis untuk ikatan kawat termosonik", 2012
[6]Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, “Pengaruh Jejak Kapiler pada Evolusi Profil Loop Dinamis dalam Ikatan Kawat Termosonik”, 2012
[7] Chun-Hsien Fu, Liang-Yi Hung, dll. "Evaluasi Permukaan Permukaan Substrat Baru: Nikel Tanpa Elektrik / Paladium Elektrolisis / Perendaman Emas (ENEPIG)", 2008
[8] Kuldip Johal, Sven Lamprecht, Hugh Roberts, "Proses electroless nickel / electroless palladium / immersion untuk emas-dan aluminium - Ikatan kawat yang dirancang untuk aplikasi suhu tinggi ”, 2000
[9] Chunyan Nan, Michael Mayer, dll. “Benjolan emas untuk peningkatan ikatan kawat berdiameter 20 mikron pada suhu proses yang dikurangi”, 2011
[10] Young K. Song dan Vanja Bukva, “Tantangan pada PCB Selesai ENEPIG: Gold Ball Bonding dan Pad Metal Lift”, 2017