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La unión de cables es el método para realizar interconexiones entre un circuito integrado (CI) u otro dispositivo semiconductor y su embalaje durante la fabricación del dispositivo semiconductor . Aunque es menos común, la unión de cables se puede utilizar para conectar un circuito integrado a otros dispositivos electrónicos o para conectar una placa de circuito impreso (PCB) a otra. La unión de cables generalmente se considera la tecnología de interconexión más rentable y flexible y se utiliza para ensamblar la gran mayoría de paquetes de semiconductores. La unión de cables se puede utilizar en frecuencias superiores a 100 GHz. [1]
Los cables de unión suelen constar de uno de los siguientes materiales:
Los diámetros de los cables comienzan desde menos de 10 μm y pueden alcanzar varios cientos de micrómetros para aplicaciones de alta potencia.
La industria de unión de cables está pasando del oro al cobre. [2] [3] [4] Este cambio ha sido instigado por el creciente costo del oro y el costo comparativamente estable y mucho más bajo del cobre. Si bien posee una mayor conductividad térmica y eléctrica que el oro, anteriormente se consideraba que el cobre era menos confiable debido a su dureza y susceptibilidad a la corrosión. Se espera que para 2015 más de un tercio de todas las máquinas de unión de cables en uso estén preparadas para cobre. [5]
El alambre de cobre se ha convertido en uno de los materiales preferidos para interconexiones de unión de cables en muchas aplicaciones microelectrónicas y de semiconductores. El cobre se utiliza para unir bolas de alambre fino en tamaños desde 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, proporcionando el mismo rendimiento que el oro sin el alto costo del material. Son posibles diámetros más pequeños debido a la mayor conductividad eléctrica del cobre. Las uniones con alambre de cobre son al menos tan confiables, si no más, que las uniones con alambre de oro. [7]
Se puede unir con éxito alambre de cobre de hasta 500 micrómetros (0,02 pulgadas) [8] . El alambre de cobre de gran diámetro puede reemplazar, y de hecho lo hace, el alambre de aluminio donde se necesita una alta capacidad de transporte de corriente o donde hay problemas con una geometría compleja. Los pasos de recocido y proceso utilizados por los fabricantes mejoran la capacidad de utilizar alambre de cobre de gran diámetro para unir el silicio sin dañar la matriz.
El alambre de cobre plantea algunos desafíos porque es más duro que el oro y el aluminio, por lo que los parámetros de unión deben mantenerse bajo 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 carga 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 considerarse. [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 aún 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 de formación [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 utilizan en aplicaciones automotrices [11]
Para unir las bolas normalmente se utiliza alambre de oro puro dopado con cantidades controladas de berilio y otros elementos . Este proceso reúne los dos materiales que se van a unir mediante calor, presión y energía ultrasónica , lo que se conoce como unión termosónica. El enfoque más común en la unión termosónica es unir el chip con una bola y luego unirlo por costura al sustrato . Los controles muy estrictos durante el procesamiento mejoran las características del bucle y eliminan la flacidez.
Los requisitos de tamaño de unión, fuerza de unión y conductividad generalmente determinan el tamaño de cable más adecuado para una aplicación de unión de cables específica. Los fabricantes típicos fabrican alambre de oro con diámetros de 8 micrómetros (0,00031 pulgadas) y mayores. La tolerancia de producción en el diámetro del alambre de oro es de +/-3%.
Los alambres de aluminio aleado generalmente se prefieren a los alambres de aluminio puro, excepto en dispositivos de alta corriente, debido a una mayor facilidad de trefilado hasta tamaños finos y una mayor resistencia a la prueba de tracción en dispositivos terminados. El aluminio puro y el 0,5% de magnesio-aluminio se utilizan con mayor frecuencia en tamaños superiores a 100 micrómetros (0,0039 pulgadas).
Los sistemas totalmente de aluminio en la fabricación de semiconductores eliminan la " plaga púrpura " (compuesto intermetálico frágil de oro y aluminio) asociada a veces con el alambre 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 de forma rutinaria controles microscópicos de la estructura de la aleación de lotes terminados de alambre de silicio-aluminio al 1%. El procesamiento también se lleva a cabo en condiciones que brindan lo último en limpieza de superficies y acabado suave y permiten un desenrollado totalmente libre de enganches.
Las principales clases de unión de cables:
La unión de bolas generalmente se limita a alambres de oro y cobre y generalmente requiere calor. Para unir cuñas, sólo el alambre de oro requiere calor. La unión en cuña puede utilizar alambres de gran diámetro o cintas de alambre para aplicaciones de electrónica de potencia. La unión de bolas se limita a cables de diámetro pequeño, adecuados para aplicaciones de interconexión.
En cualquier tipo de unión de cables, 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 . Se utiliza calor para ablandar el metal. Se utiliza la combinación correcta de temperatura y energía ultrasónica para maximizar la confiabilidad y resistencia de la unión de cables. Si se utiliza calor y energía ultrasónica, el proceso se llama enlace termosónico.
En la unión en cuña, el cable debe tenderse en línea recta según la primera unión. Esto ralentiza el proceso debido al tiempo necesario para alinear las herramientas. La unión de bolas, sin embargo, crea su primera unión en forma de bola con el cable sobresaliendo en la parte superior, sin tener preferencia direccional. Por lo tanto, el cable se puede estirar en cualquier dirección, lo que hace que el proceso sea más rápido.
La unión compatible [12] transmite calor y presión a través de una cinta de aluminio flexible o indentable y, por lo tanto, es aplicable para unir alambres de oro y los conductores del haz que han sido electroformados al circuito integrado de silicio (conocido como circuito integrado con conductores del haz).
Existen múltiples desafíos cuando se trata de la fabricación y confiabilidad de la unión de cables. Estos desafíos tienden a ser función de varios parámetros, como los sistemas de materiales, los parámetros de unión y el entorno de uso. Los diferentes sistemas metálicos de almohadilla de unión de alambre , 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 de cables. [13] [14] Cuando se trata de la selección de materiales, la aplicación y el entorno de uso dictarán el sistema metálico. A menudo, a la hora de tomar una decisión se tienen en cuenta las propiedades eléctricas, las propiedades mecánicas y el coste. Por ejemplo, un dispositivo de alta corriente para una aplicación espacial podría requerir un enlace de alambre de aluminio de gran diámetro en un paquete cerámico herméticamente sellado. Si el costo es una gran limitación, entonces puede ser necesario evitar los enlaces de alambre de oro. Se han realizado algunos trabajos recientes para analizar las uniones de cables de cobre en aplicaciones automotrices. [15] Esta 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 de cables ( unión termosónica , unión ultrasónica, unión por termocompresión ) y tipos de uniones de cables ( unión de bolas , unión de cuña ) que afectan la susceptibilidad a defectos de fabricación y problemas de confiabilidad. Ciertos materiales y diámetros de alambre son más prácticos para pasos finos o diseños complejos. La almohadilla de unión también juega 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 unión y defectos de fabricación incluyen: fractura en el cuello de unión de la bola, agrietamiento del talón (uniones en cuña), despegue de la almohadilla, despegue de la almohadilla, sobrecompresión y formación intermetálica inadecuada. Se puede utilizar una combinación de pruebas de tracción/corte de unión de cables, pruebas no destructivas y análisis físico destructivo (DPA) para detectar problemas de fabricación y calidad.
Si bien la fabricación de alambres unidos tiende a centrarse en la calidad de la unión, a menudo no tiene en cuenta los mecanismos de desgaste relacionados con la confiabilidad de los alambres. En este caso, comprender la aplicación y el entorno de uso puede ayudar a prevenir problemas de confiabilidad. Los ejemplos comunes de entornos que provocan fallas en la unión de cables incluyen temperatura elevada, humedad y ciclos de temperatura. [dieciséis]
Bajo temperaturas elevadas, el crecimiento excesivo de intermetálicos (IMC) puede crear puntos de fractura frágiles. Se ha trabajado mucho para caracterizar la formación intermetálica y el envejecimiento de varios sistemas metálicos. Esto no es un problema en sistemas metálicos donde el alambre de unión 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 peste púrpura . Además, los problemas relacionados con la difusión, como el vaciado de Kirkendall y el vaciado de Horsting, también pueden provocar fallos en la unión de los cables.
En ambientes con temperatura y humedad elevadas, la corrosión puede ser una preocupación. Esto es más común en los 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 a menudo se caracteriza con la ley de Peck para temperatura y humedad. Esto no es tan común en otros sistemas metálicos.
Bajo ciclos de temperatura, se genera tensión termomecánica en la unión del alambre como resultado del desajuste del coeficiente de expansión térmica (CTE) entre el compuesto de moldeo epoxi (EMC) , el marco principal , la matriz, el adhesivo de la matriz y la unión del alambre. Esto conduce a una fatiga de ciclo bajo debido a tensiones de corte o de tracción en la unión del alambre. Se han utilizado varios modelos de fatiga para predecir la vida útil de las uniones de cables en tales condiciones.
La comprensión adecuada del entorno de uso y de los sistemas metálicos suelen ser los factores más importantes para aumentar la confiabilidad de la unión de cables.
Si bien existen algunas técnicas de prueba de tracción y corte de unión de cables, [17] [18] [19] [20] tienden a ser aplicables para la calidad de fabricación más que para 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 del cable aplica una fuerza hacia arriba debajo del cable, alejándolo efectivamente del sustrato o matriz. [21] El propósito de la prueba es como lo describe MIL-STD-883 2011.9: "Medir la fuerza de la unión, evaluar las distribuciones de la fuerza de la unión o determinar el cumplimiento de los requisitos de fuerza de la unión especificados". Se puede tirar de un cable hasta destruirlo, pero también existen variantes no destructivas, mediante las cuales se comprueba si el cable puede soportar una determinada fuerza. Los métodos de prueba no destructivos se utilizan normalmente para probar el 100% de productos críticos para la seguridad, de alta calidad y de alto costo, evitando daños a las uniones cableadas 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 probador de unión . Sin embargo, para promover ciertos modos de falla, los cables se pueden cortar y luego tirar con unas pinzas, también montadas en un sensor de tracción en un probador de unión. Por lo general, los alambres de hasta 75 μm de diámetro (3 mil) se clasifican como alambres delgados. Más allá de ese tamaño, hablamos de pruebas con cables gruesos.