La unión de bolas es un tipo de unión de cables y es la forma más común de realizar las interconexiones eléctricas entre una matriz de silicio desnuda y el marco de cables del paquete en el que se coloca durante la fabricación de dispositivos semiconductores .
Se puede utilizar alambre de oro o cobre , aunque el oro es más común porque su óxido no es tan problemático al realizar una soldadura. Si se utiliza alambre de cobre, se debe usar nitrógeno como gas de cobertura para evitar que se formen óxidos de cobre durante el proceso de unión del alambre. El cobre también es más duro que el oro, lo que hace que sea más probable que se dañe la superficie del chip. Sin embargo, el cobre es más barato que el oro y tiene propiedades eléctricas superiores [1] , por lo que sigue siendo una opción convincente.
Casi todos los procesos modernos de unión de bolas utilizan una combinación de calor, presión y energía ultrasónica para realizar una soldadura en cada extremo del cable. El alambre utilizado puede tener un diámetro tan pequeño como 15 µm, de modo que varias soldaduras podrían caber en el ancho de un cabello humano.
Una persona que ve por primera vez una encuadernadora de bolas normalmente comparará su funcionamiento con el de una máquina de coser . De hecho, existe una herramienta desechable con forma de aguja llamada capilar , a través de la cual se alimenta el alambre. Se aplica una carga eléctrica de alto voltaje al cable. Esto derrite el alambre en la punta del capilar. La punta del alambre forma una bola debido a la tensión superficial del metal fundido.
La bola se solidifica rápidamente y el capilar desciende hasta la superficie del chip, que normalmente se calienta hasta al menos 125 °C. Luego, la máquina empuja hacia abajo el capilar y aplica energía ultrasónica con un transductor adjunto . La combinación de calor, presión y energía ultrasónica crea una soldadura entre la bola de cobre u oro y la superficie del chip, que suele ser cobre o aluminio . Este es el llamado enlace de bola que da nombre al proceso. [2] (Los sistemas totalmente de aluminio en la fabricación de semiconductores eliminan la " plaga púrpura ", un frágil compuesto intermetálico de oro y aluminio, a veces asociado con alambres de unión de oro puro. Esta propiedad hace que el aluminio sea ideal para la unión ultrasónica).
Luego, el cable pasa a través del capilar y la máquina se mueve unos pocos milímetros hasta la ubicación donde se debe conectar el chip (generalmente llamado marco principal [3] ). La máquina vuelve a descender a la superficie, esta vez sin formar una bola, de modo que el alambre queda aplastado entre el marco conductor y la punta del capilar. Esta vez la superficie suele ser de oro, paladio o plata, pero la soldadura se realiza de la misma manera. La soldadura resultante es bastante diferente en apariencia a la unión de bola y se denomina unión en cuña , unión de cola o simplemente segunda unión .
En el paso final, la máquina extiende un pequeño trozo de alambre y lo arranca de la superficie utilizando un juego de abrazaderas. Esto deja una pequeña cola de alambre colgando del extremo del capilar. Luego, el ciclo comienza de nuevo con la carga eléctrica de alto voltaje aplicada a esta cola.
El proceso en el que se corta el alambre inmediatamente después de que se forma la bola también se llama golpe de perno . El choque de pernos se utiliza al apilar chips en módulos de sistema en paquete (SIP). [4]
Las máquinas más modernas actuales (a partir de 2003 [actualizar]) pueden repetir este ciclo unas 20 veces por segundo. Un pegador de bolas moderno es completamente automático y es esencialmente un robot industrial autosuficiente, completo con un sistema de visión, sensores y servosistemas complejos.
Los transductores piezoeléctricos se utilizan para proporcionar energía ultrasónica en el proceso de unión de bolas. Estos transductores se conocen como transductores atornillados o transductores Langevin. Consisten en componentes metálicos y elementos piezoeléctricos, todos unidos por un perno. Estos transductores operan a su frecuencia resonante de vibración lateral para introducir excitación ultrasónica lateral al capilar. A lo largo de la dirección lateral del transductor, existen puntos nodales (gran desplazamiento) y puntos antinodales (sin desplazamiento). Los elementos piezoeléctricos se expanden y contraen tras la excitación de voltaje alterno (que estará en la frecuencia de resonancia), excitando así la vibración de resonancia en la estructura. Por lo general, se apilan algunos elementos para aumentar el campo eléctrico para un voltaje aplicado (la tensión se genera proporcional al campo eléctrico). Para maximizar la transferencia de energía desde el elemento piezoeléctrico a la estructura, se colocan en nodos, que son regiones de alta tensión y alta tensión. Al mismo tiempo, para minimizar la pérdida de energía hacia el entorno, el transductor se mantiene en un antinodo (sin desplazamiento). [5]
En el extremo frontal del transductor se utiliza una bocina cónica para magnificar la vibración. Se pueden utilizar diferentes perfiles cónicos para obtener el resultado deseado, como un cono lineal o un cono parabólico. La forma cónica de la bocina reduce el área de la sección transversal, lo que provoca una mayor densidad de energía ultrasónica y luego genera un mayor desplazamiento cerca de la punta. Por este motivo, el capilar se coloca cerca de la punta. En el capilar se excitan modos de flexión de orden superior, que son bastante poco ideales. Para mitigar este efecto, la posición de sujeción del capilar se ajusta a un antinodo del capilar. Lo ideal sería que el capilar fuera corto, pero esto no es posible porque la unión debe realizarse en zonas de difícil acceso. [5]
El perno sujeta toda la estructura atornillándolo en la bocina (según la configuración). Es necesario administrar la precarga correcta para optimizar el rendimiento. Las piezocerámicas son débiles bajo tensión; por lo tanto, una precarga grande garantizará que la cerámica funcione principalmente en compresión debido a la tensión de polarización. [5]