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La unión por cables es un método para realizar interconexiones entre un circuito integrado (CI) u otro dispositivo semiconductor y su encapsulado durante la fabricación de un dispositivo semiconductor . La unión por cables también se puede utilizar para conectar un CI a otros componentes electrónicos o para conectar una placa de circuito impreso (PCB) a otra, aunque estas son menos comunes. La unión por cables se considera generalmente la tecnología de interconexión más rentable y flexible y se utiliza para ensamblar la gran mayoría de encapsulados de semiconductores. La unión por cables se puede utilizar a frecuencias superiores a 100 GHz. [1]
Los cables de conexión generalmente están compuestos de uno de los siguientes materiales:
Los diámetros de los cables comienzan desde menos de 10 μm y pueden llegar hasta varios cientos de micrómetros para aplicaciones de alta potencia.
La industria de la unión por cable está pasando del oro al cobre. [2] [3] [4] Este cambio ha sido provocado por el aumento del coste del oro y el coste comparativamente estable y mucho más bajo del cobre. Si bien posee una conductividad térmica y eléctrica mayor que el oro, anteriormente se consideraba que el cobre era menos confiable debido a su dureza y susceptibilidad a la corrosión. Para 2015, se espera que más de un tercio de todas las máquinas de unión por cable en uso estén configuradas para cobre. [5]
El alambre de cobre se ha convertido en uno de los materiales preferidos para las interconexiones de unión por cable en muchas aplicaciones de semiconductores y microelectrónica. El cobre se utiliza para la unión por bolas de alambre fino en tamaños de 10 micrómetros (0,00039 pulgadas) hasta 75 micrómetros (0,003 pulgadas). [6] El alambre de cobre tiene la capacidad de usarse en diámetros más pequeños, lo que proporciona el mismo rendimiento que el oro sin el alto costo del material. Los diámetros más pequeños son posibles debido a la mayor conductividad eléctrica del cobre. Las uniones por cable de cobre son al menos tan confiables, si no más, que las uniones por cable de oro. [7]
Los cables de cobre de hasta 500 micrómetros (0,02 pulgadas) [8] se pueden unir con cuña con éxito . Los cables de cobre de gran diámetro pueden reemplazar, y lo hacen, a los cables de aluminio cuando se necesita una gran capacidad de transporte de corriente o cuando hay problemas con la geometría compleja. Los pasos de recocido y procesamiento utilizados por los fabricantes mejoran la capacidad de usar cables de cobre de gran diámetro para unir con cuña al silicio sin que se produzcan daños en la matriz.
El alambre de cobre plantea algunos desafíos, ya que es más duro que el oro y el aluminio, por lo que los parámetros de unión deben mantenerse bajo un estricto control. La cantidad de energía utilizada durante la unión ultrasónica debe ser mayor [9] y el cobre tiene una corriente de fusión más alta, por lo que tiene una mayor capacidad de transporte de corriente. [10] La formación de óxidos es inherente a este material, por lo que el almacenamiento y la vida útil son cuestiones que deben tenerse en cuenta. [7] Se requiere un embalaje especial para proteger el alambre de cobre y lograr una vida útil más larga. El alambre de cobre recubierto de paladio es una alternativa común que ha demostrado una resistencia significativa a la corrosión, aunque con una dureza mayor que el cobre puro y un precio mayor, aunque todavía menor que el oro. Durante la fabricación de uniones de alambre, el alambre de cobre, así como sus variedades revestidas, deben trabajarse en presencia de gas formador [95% de nitrógeno y 5% de hidrógeno] o un gas anóxico similar para evitar la corrosión. Un método para hacer frente a la dureza relativa del cobre es el uso de variedades de alta pureza [5N+]. [5]
Los efectos de la corrosión a largo plazo (Cu2Si) y otros temas de estabilidad llevaron a mayores requisitos de calidad cuando se utilizó en aplicaciones automotrices [11]
El alambre de oro puro dopado con cantidades controladas de berilio y otros elementos se utiliza normalmente para la unión por bolas . Este proceso une los dos materiales que se van a unir mediante calor, presión y energía ultrasónica , lo que se conoce como unión termosónica. El método más común en la unión termosónica es unir por bolas al chip y luego unir por puntos al sustrato . Los controles muy estrictos durante el procesamiento mejoran las características de bucle y eliminan el pandeo.
El tamaño de la unión, la fuerza de unión y los requisitos de conductividad suelen determinar el tamaño de cable más adecuado para una aplicación de unión de cables específica. Los fabricantes habituales fabrican cables de oro en diámetros de 8 micrómetros (0,00031 pulgadas) y mayores. La tolerancia de producción en el diámetro del cable de oro es de +/-3 %.
En general, se prefieren los alambres de aluminio aleado a los de aluminio puro, excepto en dispositivos de alta corriente, debido a que se estiran con mayor facilidad hasta tamaños finos y presentan una mayor resistencia a la prueba de tracción en los dispositivos terminados. El aluminio puro y el 0,5 % de magnesio y aluminio se utilizan con mayor frecuencia en tamaños superiores a 100 micrómetros (0,0039 pulgadas).
Los sistemas de aluminio en la fabricación de semiconductores eliminan la " plaga púrpura " (compuesto intermetálico de oro y aluminio quebradizo) que a veces se asocia con los cables de unión de oro puro. El aluminio es particularmente adecuado para la unión termosónica .
Para garantizar que se puedan obtener uniones de alta calidad a altas velocidades de producción, se utilizan controles especiales en la fabricación de alambre de silicio-aluminio al 1% . Una de las características más importantes de este tipo de alambre de unión de alta calidad es la homogeneidad del sistema de aleación. Durante el proceso de fabricación se presta especial atención a la homogeneidad. Se realizan controles microscópicos de la estructura de la aleación de lotes terminados de alambre de silicio-aluminio al 1% de manera rutinaria. El procesamiento también se lleva a cabo en condiciones que brindan la máxima limpieza de la superficie y un acabado suave y permiten un desenrollado completamente libre de enganches.
Las principales clases de unión por cable:
La unión por bolas generalmente se limita a cables de oro y cobre y generalmente requiere calor. Para la unión por cuña, solo se requiere calor con cables de oro. La unión por cuña puede utilizar cables de gran diámetro o cintas de cables para aplicaciones de electrónica de potencia. La unión por bolas se limita a cables de diámetro pequeño, adecuados para aplicaciones de interconexión.
En cualquiera de los dos tipos de unión por cable, el cable se une en ambos extremos mediante una combinación de presión hacia abajo, energía ultrasónica y, en algunos casos, calor, para realizar una soldadura . El calor se utiliza para ablandar el metal. Se utiliza la combinación correcta de temperatura y energía ultrasónica para maximizar la fiabilidad y la resistencia de la unión por cable. Si se utiliza calor y energía ultrasónica, el proceso se denomina unión termosónica.
En la unión por cuña, el alambre debe estirarse en línea recta según la primera unión. Esto ralentiza el proceso debido al tiempo necesario para la alineación de la herramienta. Sin embargo, la unión por bolas crea su primera unión en forma de bola con el alambre sobresaliendo en la parte superior, sin preferencia direccional. Por lo tanto, el alambre puede estirarse en cualquier dirección, lo que hace que sea un proceso más rápido.
La unión flexible [12] transmite calor y presión a través de una cinta de aluminio flexible o indentable y, por lo tanto, es aplicable para unir cables de oro y conductores de haz que se han electroformado al circuito integrado de silicio (conocido como circuito integrado con conductores de haz).
Existen múltiples desafíos en lo que respecta a la fabricación y confiabilidad de los sistemas de unión por cable. Estos desafíos tienden a ser una función de varios parámetros, como los sistemas de materiales, los parámetros de unión y el entorno de uso. Los diferentes sistemas de metal de unión por cable y almohadilla de unión, como aluminio -aluminio (Al-Al), oro -aluminio (Au-Al) y cobre -aluminio (Cu-Al), requieren diferentes parámetros de fabricación y se comportan de manera diferente en los mismos entornos de uso.
Se ha trabajado mucho para caracterizar varios sistemas metálicos, revisar parámetros críticos de fabricación e identificar problemas de confiabilidad típicos que ocurren en la unión por cables. [13] [14] Cuando se trata de la selección de materiales, la aplicación y el entorno de uso dictarán el sistema metálico. A menudo, las propiedades eléctricas, las propiedades mecánicas y el costo se tienen en cuenta al tomar una decisión. Por ejemplo, un dispositivo de alta corriente para una aplicación espacial puede requerir una unión por cable de aluminio de gran diámetro en un paquete cerámico herméticamente sellado. Si el costo es una gran limitación, entonces evitar las uniones por cable de oro puede ser una necesidad. Se han realizado algunos trabajos recientes para analizar las uniones por cable de cobre en aplicaciones automotrices. [15] Esto es solo una pequeña muestra, ya que existe una gran cantidad de trabajo que revisa y prueba qué sistemas de materiales funcionan mejor en diferentes aplicaciones.
Desde una perspectiva de fabricación, los parámetros de unión desempeñan un papel fundamental en la formación y la calidad de la unión. Parámetros como la fuerza de unión, la energía ultrasónica, la temperatura y la geometría del bucle, por nombrar algunos, pueden tener un efecto significativo en la calidad de la unión. Existen varias técnicas de unión por cable ( unión termosónica , unión ultrasónica, unión por termocompresión ) y tipos de uniones por cable ( unión por bolas , unión por cuña ) que afectan la susceptibilidad a defectos de fabricación y problemas de fiabilidad. Ciertos materiales y diámetros de cable son más prácticos para pasos finos o diseños complejos. La almohadilla de unión también desempeña un papel importante, ya que la metalización y la acumulación de capas de barrera afectarán la formación de la unión.
Los modos de falla típicos que resultan de una mala calidad de la unión y defectos de fabricación incluyen: fractura en el cuello de la unión esférica, agrietamiento del talón (uniones en cuña), desprendimiento de la almohadilla, desprendimiento de la almohadilla, sobrecompresión y formación intermetálica inadecuada. Se puede utilizar una combinación de pruebas de tracción/corte de la unión por cable, pruebas no destructivas y análisis físico destructivo (DPA) para detectar problemas de fabricación y calidad.
Si bien la fabricación de uniones por cable tiende a centrarse en la calidad de la unión, a menudo no tiene en cuenta los mecanismos de desgaste relacionados con la confiabilidad de la unión por cable. En este caso, comprender el entorno de aplicación y uso puede ayudar a prevenir problemas de confiabilidad. Algunos ejemplos comunes de entornos que provocan fallas en la unión por cable incluyen temperatura elevada, humedad y ciclos de temperatura. [16]
A temperaturas elevadas, el crecimiento excesivo de intermetálicos (IMC) puede crear puntos de fractura frágiles. Se ha realizado mucho trabajo para caracterizar la formación y el envejecimiento de intermetálicos para varios sistemas metálicos. Esto no es un problema en sistemas metálicos donde la unión por cable y la almohadilla de unión son del mismo material, como Al-Al. Esto se convierte en una preocupación en sistemas metálicos diferentes. Uno de los ejemplos más conocidos son los intermetálicos frágiles formados en IMC de oro y aluminio, como la plaga púrpura . Además, los problemas relacionados con la difusión, como la formación de huecos de Kirkendall y la formación de huecos de Horsting, también pueden provocar fallas en la unión por cable.
En entornos con temperaturas y humedades elevadas, la corrosión puede ser un problema. Esto es más común en sistemas metálicos Au-Al y se debe a la corrosión galvánica . La presencia de haluros como el cloro puede acelerar este comportamiento. Esta corrosión Au-Al se caracteriza a menudo con la ley de Peck para temperatura y humedad. Esto no es tan común en otros sistemas metálicos.
En condiciones de ciclos de temperatura, se genera una tensión termomecánica en la unión del cable como resultado de la falta de correspondencia del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el compuesto de moldeo de epoxi (EMC) , el marco conductor , la matriz, el adhesivo de la matriz y la unión del cable. Esto conduce a una fatiga de ciclo bajo debido a tensiones de corte o tracción en la unión del cable. Se han utilizado varios modelos de fatiga para predecir la vida útil por fatiga de las uniones de cables en tales condiciones.
La comprensión adecuada del entorno de uso y de los sistemas metálicos son a menudo los factores más importantes para aumentar la confiabilidad de la unión por cable.
Si bien existen algunas técnicas de prueba de tracción y corte de unión de cables, como MIL-STD-883, ASTM F459-13 y JESD22-B116, [17] [18] [19] [20] estas tienden a ser aplicables para la calidad de fabricación en lugar de la confiabilidad. A menudo son técnicas de sobreesfuerzo monótonas, donde la fuerza máxima y la ubicación de la fractura son los resultados críticos. En este caso, el daño está dominado por la plasticidad y no refleja algunos mecanismos de desgaste que podrían observarse en condiciones ambientales.
La prueba de tracción de cables aplica una fuerza hacia arriba debajo del cable, lo que lo aleja del sustrato o del molde. [21] El propósito de la prueba es, como lo describe la norma MIL-STD-883 2011.9: "Medir la resistencia de las uniones, evaluar las distribuciones de la resistencia de las uniones o determinar el cumplimiento de los requisitos de resistencia de las uniones especificados". Se puede tirar de un cable hasta destruirlo, pero también hay variantes no destructivas mediante las cuales se prueba si el cable puede soportar una determinada fuerza. Los métodos de prueba no destructivos se utilizan normalmente para probar al 100 % productos críticos para la seguridad, de alta calidad y alto costo, evitando dañar las uniones de cables aceptables probadas.
El término tracción de cable generalmente se refiere al acto de tirar de un cable con un gancho montado en un sensor de tracción en un comprobador de adherencia . Sin embargo, para promover ciertos modos de falla, los cables se pueden cortar y luego tirar con pinzas, también montadas en un sensor de tracción en un comprobador de adherencia. Por lo general, los cables de hasta 75 μm de diámetro (3 mil) se clasifican como cables delgados. Más allá de ese tamaño, hablamos de pruebas de cable grueso.