SamsPcbGuide, Parte 14: Tecnologia - Microdesenvolvimento e tecnologia de chip integrado

Neste artigo de auto-isolamento, falarei sobre a ligação de fios de micro-fios (ligação de fios em inglês). No contexto das placas de circuito impresso, focaremos na tecnologia de montagem de cristais em uma placa de circuito impresso (chip-on-board inglês, COB). Não deixe de assistir ao vídeo por links, a microwelding é muito bonita!

A soldagem fornece uma conexão elétrica do cristal com as conclusões do caso (ao embalar o chip) ou diretamente com os condutores da placa de circuito impresso (tecnologia COB). Um método alternativo de conexão elétrica é a montagem invertida do cristal (flip-chip inglês), tanto no design do próprio gabinete quanto diretamente na placa de circuito impresso (Fig. 1).

A instalação usando fios de micro-fios surgiu após os primeiros circuitos integrados no início dos anos 1960 e foi usada com sucesso até hoje. A instalação invertida é uma tecnologia moderna que surgiu em resposta aos requisitos de aumentar o número de conclusões, aumentar a velocidade e reduzir as dimensões. No entanto, ele possui várias limitações de design associadas à garantia de confiabilidade (escrevi sobre isso em detalhes aqui ) e é tecnologicamente mais complexo.

Este artigo não examinará em detalhes a classificação e a teoria de vários métodos de soldagem - este é um material muito volumoso que vai além do escopo da questão em discussão. O fato é que, ao longo de sua longa história, a tecnologia de conexão de cabos de micro-fios se desenvolveu na direção de aumentar a estabilidade, a confiabilidade e a velocidade do processo de montagem, expandindo as capacidades do equipamento para criar loops de solda de forma complexa e alta densidade de instalação (Fig. 2). Uma variedade de tarefas e a falta de tecnologia universal levaram no processo de busca ao desenvolvimento de vários métodos de soldagem. Considere brevemente os pontos principais. Apesar da variedade de métodos, um princípio comum para todos é queque uma junta soldada é formada como resultado da pressão e aquecimento das superfícies de contato a uma temperatura alta até a formação de compostos interatômicos (na maioria das vezes são compostos intermetálicos). Dependendo do método de aquecimento, a soldagem é dividida nos seguintes tipos principais: termocompressão (aquecimento externo), ultrassônica (fricção com pulso ultrassônico), termossônica (uma combinação de aquecimento externo e pulso ultrassônico) e soldagem por contato (aquecimento por pulso com corrente elétrica). Os principais materiais para terminais de micro-fios são alumínio, ouro, cobre. O cobre é usado em vez do ouro para reduzir custos, mas é mais duro e também se oxida rapidamente no ar, o que complica o processo de soldagem e requer equipamentos mais sofisticados que criam uma atmosfera inerte na zona de soldagem (nitrogênio ou gás de moldagem).A alta condutividade do cobre é um fator determinante para a substituição do alumínio na quebra de dispositivos de energia, apesar do processo de fabricação mais complexo.

O eixo do fio durante o desembrulhamento pode ser orientado em paralelo - é uma cunha do tipo cunha (eng. Ligação em cunha) ou perpendicularmente - é uma solda do tipo cunha (ligação em esfera inglesa) (Fig. 3). O loop geralmente tem dois pontos de contato; portanto, de acordo com o tipo de ponto de soldagem, os métodos de soldagem são divididos em “cunha esférica” e “cunha cônica”. Os mais comuns são a soldagem ultrassônica com fio de alumínio de cunha ( vídeo ) e a soldagem termo-sonora com o tipo de cunha de esfera de ouro / cobre ( vídeo ). Neste último caso, a ponta do fio é fundida com uma descarga de faísca ( vídeo ) para formar uma bola , o que apenas agrega epicidade e beleza ao processo de soldagem. Para dispositivos elétricos, são utilizadas fitas de alumínio e ouro ( vídeo com trilha sonora chique).

Os parâmetros-chave na soldagem ultrassônica / termossônica são a força de soldagem, a potência e a duração do pulso ultrassônico. Sua combinação para uma determinada configuração de soldagem, um fio específico (diâmetro, rigidez), uma ferramenta de cozimento específica, parâmetros específicos da almofada de contato (tamanho, material) deve garantir a repetibilidade do processo de soldagem com parâmetros de confiabilidade de conexão garantidos. Parâmetros controlados diretamente são aparência, força de extração (teste de tração) e força de cisalhamento (teste de tração) (Fig. 4), indiretamente - falhas durante o ciclo térmico e outros testes no produto.

A seleção de parâmetros é de alguma forma um procedimento mágico, mas há várias recomendações. Em geral, é realizado pelo método de cutucada científicaexperimento de projeto (DOE), isto é, enumeração seqüencial de parâmetros em um determinado intervalo. Nesta pesquisa, você pode aproveitar os resultados publicados sobre otimização de parâmetros (por exemplo, artigos [1, 2]), as recomendações do fabricante do equipamento e, é claro, a experiência adquirida. Em seguida, o desacoplamento de teste é realizado para cada conjunto de parâmetros, seguido pelo controle da aparência e dos esforços de separação / mudança. Para controlar a aparência, basta um aumento de x100 com a capacidade de medir dimensões lineares (Fig. 5), equipamento especializado é usado para medir forças de ruptura / deslocamento (para tarefas de laboratório, por exemplo, você pode usar um gramaímetro com um gancho, alternar manualmente e examinar a forma da fratura em ampliações x100 ... 200 e mais).Para avaliar a aparência, é importante observar o maior número possível de micrografias dos pontos de solda bonitos e feios (aquiaqui e aqui, por exemplo, existem algumas boas microfotografias com uma descrição), porque, na minha experiência, existe uma correlação entre a beleza do desembrulhamento e sua qualidade. Além disso, com a experiência, há um entendimento de como alterá-los ao definir parâmetros para obter o resultado desejado (não há esforço suficiente na soldagem ou muita potência), ou seja, a busca se torna cada vez mais consciente e direcional. Ao mesmo tempo, ler os artigos das teorias da formação da soldagem e a influência dos parâmetros em sua qualidade me ajudou muito [3, 4]. E, no entanto, esses artigos igualmente não menos bonitos [5, 6], onde os autores (monumentos para colocar dessa maneira) investigaram a formação de um loop usando uma câmera de alta velocidade. E assim, o número de artigos lidos para terminar em 100, o número de jumpers fervidos e rasgados em até 10.000 e a mágica nesse processo será um pouco menor. Ainda muito da instalação,Obviamente, depende - em uma luta amarga, apertei o máximo da máquina bielorrussa EM-4450.

Agora, de volta às placas de circuito impresso e a alguns recursos de seu design usando a tecnologia COB. A tecnologia é usada para reduzir custos ou, no caso de micro-mini-utilização, a criação de módulos e conjuntos de múltiplos chips (em particular, LED). Na fig. 6 mostra uma imagem de uma das apresentaçõesWurth Electronics neste tópico com recomendações de design. As restrições de tamanho apresentadas podem servir como orientação, além disso, é recomendável usar o modelo 3D da ferramenta de cozimento para verificar a disponibilidade de todos os KPs, a fim de evitar problemas já existentes. É importante observar que a máscara é removida na placa de circuito impresso na zona de solda, para não interferir com o plano de trabalho da ferramenta de cozimento. É melhor não usar a área sob o cristal para rastrear, mas colocar a almofada de montagem lá (como na figura), especialmente se a base do cristal tiver potencial ou precisar ser montada em um adesivo condutor para aumentar a dissipação de calor. É possível montar o cristal na máscara, especialmente no caso de composição adicional do cristal. O cristal também pode ser montado em um recorte em uma placa de circuito impresso.cavidade da placa de circuito impresso) com a localização da PC na mesma camada topológica ou superior.

A próxima nuance em relação ao rastreamento é a recomendação de orientar a unidade de controle na placa de circuito impresso na direção dos laços de solda do fio de ouro. Entendi sua validade apenas ao escrever um programa de descompressão. A conclusão é que o segundo ponto de cozimento é formado na borda do capilar (Fig. 7) e, ao escrever um programa, seu centro é indicado, o que em grandes ângulos leva à necessidade de levar isso em conta e mudar a localização do ponto no programa. Em outras palavras, é mais conveniente, mas essa não é uma limitação fundamental, e a conveniência do rastreamento tem uma prioridade mais alta.

Existe um consenso em relação ao revestimento final das placas de circuito impresso na indústria: o ENIG é suficiente para soldar com fio de alumínio, ENEPIG ou ouro galvânico para fio de ouro (Fig. 8). Por que você não pode usar o ENIG mais barato e mais acessível para soldar com fio de ouro? A resposta que pode ser encontrada é que o desvio de níquel leva à degradação da junta soldada, com uma diminuição significativa de sua confiabilidade. E no ENEPIG, o paládio serve como uma camada de barreira que evita esse desvio. É bastante aceitável usar o ENIG para depurar amostras, ainda mais porque os parâmetros de soldagem, ceteris paribus para esses revestimentos, estão próximos. O ENEPIG é indicado diretamente como revestimento recomendado em muitas fontes e fornece dados sobre testes de confiabilidade [7, 8].

Também é dada muita atenção ao problema da formação de compostos intermetálicos indesejáveis ​​de Au-Al (“praga roxa” e outras palavras assustadoras) que ocorrem quando se solda com um fio de ouro em um cristal de alumínio CP ou com fio de alumínio em ENIG. Esta questão é bastante complexa e, para minha total compreensão do conhecimento necessário da química, eu infelizmente não. A conclusão é que a descompressão no sistema Au-Al é uma fonte potencial de falhas, especialmente em altas temperaturas, e deve ser exaustivamente testada quanto à confiabilidade. Maximizar a força de extração é uma das estratégias, pois a força da soldagem e a confiabilidade a longo prazo estão conectadas (uma camada intermetálica mais fina com uma área de revestimento maior).

Devido à fina camada de ouro, o ponto fraco do desenrolamento da cunha na ENEPIG é o segundo ponto de solda. A tarefa de obter desenrolamento de alta qualidade também é complicada pela contaminação do KP após o estágio de montagem na superfície dos componentes em uma placa de circuito impresso. Existem dois métodos para aumentar a confiabilidade: com um solavanco reforçada após a soldagem (Inglês colisão segurança / bola, SB) e com colisão preliminar (bola inglesa stich on ball, BSOB ou stand-off stich, SOS) (Fig. 9). Um parâmetro de otimização adicional nessas tecnologias é o deslocamento da saliência em relação ao ponto de soldagem [9, 10]. Pela minha própria experiência, posso dizer que o BSOB se mostrou bem para o COB. A propósito, o BSOB também é bom porque permite colocar o segundo ponto de soldagem no cristal (ligação reversa em inglês) e realizar a soldagem entre os cristais diretamente em conjuntos com vários chips. Eu ficaria feliz se nos comentários compartilhar sua experiência com SB / BSOB e ENIG / ENEPIG.

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[1] J. Gomes, M. Mayer, B. Lin, "Desenvolvimento de um método rápido para otimização do processo de Au Ball Bond", 2015
[2] Byung-Chan Kim, Seok-Jae Ha, etc. “Otimização da capacidade do processo de ligação de esferas usando análise de superfície de resposta na ligação de fios de diodo emissor de luz (LED)”, 2017
[3] Hui Xu, Changqing Liu, etc.
[4] Hui Xu, Changqing Liu, etc. “O papel da duração da ligação na formação de ligações de arame: um estudo de pegadas de fio de ouro termossônico em pastilhas de alumínio”, 2010
[5] Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, ”Estudo experimental de processo de loop dinâmico para ligação de aros termossônicos”, 2012
[6]Fuliang Wang, Yun Chen, Lei Han, “Efeito do traçado capilar na evolução do perfil de loop dinâmico na ligação de fios termossônicos”, 2012
[7] Chun-Hsien Fu, Liang-Yi Hung, etc. “Avaliação do novo acabamento superficial do substrato: níquel sem eletrólito / paládio sem eletrólito / ouro de imersão (ENEPIG)”, 2008
[8] Kuldip Johal, Sven Lamprecht, Hugh Roberts ”, processo de revestimento por imersão em níquel / paládio sem eletrólito / imersão para ouro e alumínio ligação por fio projetada para aplicações de alta temperatura ”, 2000
[9] Chunyan Nan, Michael Mayer, etc. “Saliência dourada para aprimoramento de ligação de fio de 20 mícrons de diâmetro em temperatura de processo reduzida”, 2011
[10] Young K. Song e Vanja Bukva, “Desafios nos PCBs finalizados pela ENEPIG: Gold Ball Bonding e Pad Metal Lift”, 2017