Введение

Техника, используемая для подключения микрочипа к его корпусу.

Сварка отводами — это метод создания электрических соединений между интегральной схемой (ИС) или другим полупроводниковым устройством и его корпусом в процессе изготовления полупроводниковых приборов. Сварка отводами также может использоваться для соединения ИС с другой электроникой или для соединения одной печатной платы (PCB) с другой, хотя это встречается реже. Сварка отводами обычно считается наиболее экономически выгодной и гибкой технологией соединения и используется при сборке подавляющего большинства полупроводниковых корпусов. Сварка отводами может применяться на частотах выше 100 ГГц.

Проблемы производства и надежности

Существует множество проблем при производстве и обеспечении надежности проволочной связи. Эти проблемы обычно обусловлены несколькими параметрами, такими как используемые материалы, параметры сварки и условия эксплуатации. Различные системы металлов площадок для соединения проволоки, такие как алюминий-алюминий (Al-Al), золото-алюминий (Au-Al) и медь-алюминий (Cu-Al), требуют различных производственных параметров и демонстрируют разное поведение в одинаковых условиях эксплуатации.

Производство проволочных связок

Выполнена большая работа по характеризации различных металлических систем, анализу критических параметров производства и выявлению типичных проблем надежности, возникающих при соединении проволокой. Выбор материала определяется областью применения и условиями эксплуатации. При принятии решения часто учитываются электрические и механические свойства, а также стоимость. Например, для мощного устройства, предназначенного для использования в космосе, может потребоваться соединение алюминиевой проволоки большого диаметра в герметичном керамическом корпусе. Если стоимость является существенным ограничением, отказ от использования золотой проволоки может быть необходимым. Недавно проводились исследования по применению медной проволоки в автомобильной промышленности. Это лишь небольшой пример, поскольку существует обширный объем работ, посвященных изучению и тестированию того, какие материальные системы наиболее эффективны в различных областях применения. С точки зрения производства, параметры соединения играют решающую роль в формировании и качестве соединения. Параметры, такие как сила прижатия, ультразвуковая энергия, температура и геометрия петли, оказывают значительное влияние на качество соединения. Существуют различные методы соединения проволокой (термозвуковое, ультразвуковое и термокомпрессионное соединение) и типы соединений (шаровое и клиновое), которые влияют на восприимчивость к производственным дефектам и проблемам надежности. Некоторые материалы и диаметры проволоки более практичны для соединений с малым шагом или сложной компоновкой. Платформа для соединения также играет важную роль, поскольку структура металлизации и барьерных слоев влияет на формирование соединения. Типичные виды отказов, возникающие из-за низкого качества соединения и производственных дефектов, включают: разрушение в шейке шарового соединения, трещины в основании (для клиновых соединений), отрыв площадки, отслаивание площадки, чрезмерное сжатие и неправильное образование интерметаллидов. Для выявления производственных и качественных проблем можно использовать комбинацию испытаний на отрыв/сдвиг проволоки, неразрушающий контроль и деструктивный физический анализ (DPA).

Надежность проводной связи

Хотя производство проволочных соединений обычно фокусируется на качестве соединений, оно часто не учитывает механизмы износа, связанные с надежностью проволочных соединений. В этом случае понимание условий применения и эксплуатации может помочь предотвратить проблемы с надежностью. Типичные примеры условий, приводящих к разрушению проволочных соединений, включают повышенную температуру, влажность и температурные циклы. При повышенных температурах чрезмерный рост интерметаллических соединений (IMC) может создавать хрупкие точки разрушения. Проведено много исследований для характеристики образования и старения интерметаллических соединений в различных металлических системах. Это не является проблемой в металлических системах, где материал проволочного соединения и контактной площадки одинаков, например, Al-Al. Однако это становится проблемой в системах с различными металлами. Одним из наиболее известных примеров является образование хрупких интерметаллических соединений в золотисто-алюминиевых IMC, таких как "фиолетовая чума". Кроме того, проблемы, связанные с диффузией, такие как образование пустот Киркендалла и Хорстинга, также могут приводить к разрушению проволочных соединений. В условиях повышенной температуры и влажности может возникать коррозия. Это наиболее распространено в системах Au-Al и обусловлено гальванической коррозией. Наличие галогенидов, таких как хлор, может ускорить этот процесс. Эта коррозия Au-Al часто описывается законом Пека для температуры и влажности. В других металлических системах это встречается реже. При температурных циклах в проволочном соединении возникают термомеханические напряжения из-за разницы в коэффициентах теплового расширения (CTE) между компаундом для литья под давлением (EMC), рамкой, кристаллом, клеем для крепления кристалла и проволочным соединением. Это приводит к усталости при малом количестве циклов из-за напряжений сдвига или растяжения в проволочном соединении. Для прогнозирования срока службы проволочных соединений в таких условиях используются различные модели усталости. Глубокое понимание условий эксплуатации и используемых металлических систем часто является наиболее важным фактором для повышения надежности проволочных соединений.

Испытания

Хотя существуют некоторые методы испытаний на отрыв и сдвиг проволочных соединений, такие как MIL STD 883, ASTM F459 13 и JESD22 B116, они, как правило, применимы для контроля качества производства, а не для оценки надежности. Часто это методы монотонной перегрузки, где пиковое усилие и место разрушения являются ключевыми показателями. В этом случае повреждение носит пластический характер и не отражает механизмы износа, которые могут проявляться в условиях эксплуатации. Испытание на отрыв проволоки предполагает приложение восходящей силы под проволокой, эффективно отрывая ее от подложки или кристалла. Цель испытания, как описано в MIL STD 883 2011.9, заключается в "измерении прочности соединений, оценке распределения прочности соединений или определении соответствия установленным требованиям к прочности соединений". Проволока может быть оторвана, но существуют и неразрушающие варианты, в которых проверяется способность проволоки выдерживать определенное усилие. Неразрушающие методы испытаний обычно используются для 100%-ного контроля критически важных, высококачественных и дорогостоящих изделий, чтобы избежать повреждения годных проволочных соединений. Термин "испытание на отрыв проволоки" обычно относится к процессу отрыва проволоки с помощью крюка, установленного на датчике усилия на тестере соединений. Однако, для стимулирования определенных видов разрушения, проволоку могут перерезать, а затем оттягивать пинцетом, также установленным на датчик усилия на тестере соединений. Обычно проволока диаметром до 75 мкм (3 мил) классифицируется как тонкая проволока. При большем диаметре говорят об испытаниях толстой проволоки.