La unión por bolas es un tipo de unión por cable y es la forma más común de realizar interconexiones eléctricas entre una matriz de silicio desnudo y el marco conductor del paquete en el que se coloca durante la fabricación de un dispositivo semiconductor .
Se puede utilizar alambre de oro o cobre , aunque el oro es más común porque su óxido no es tan problemático para realizar una soldadura. Si se utiliza alambre de cobre, se debe utilizar 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 atractiva.
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 alambre. El alambre utilizado puede tener un diámetro de hasta 15 μm, de modo que varias soldaduras podrían caber en el ancho de un cabello humano.
Una persona que ve por primera vez una soldadora de bolas generalmente comparará su funcionamiento con el de una máquina de coser . De hecho, hay una herramienta desechable con forma de aguja llamada capilar , a través de la cual se introduce el alambre. Se aplica una carga eléctrica de alto voltaje al alambre. 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 a al menos 125 °C. Luego, la máquina empuja hacia abajo el capilar y aplica energía ultrasónica con un transductor conectado . La combinación de calor, presión y energía ultrasónica crea una soldadura entre la bola de cobre u oro y la superficie del chip, que normalmente es de cobre o aluminio . Esta es la llamada unión de bola que da nombre al proceso. [2] (Los sistemas totalmente de aluminio en la fabricación de semiconductores eliminan la " plaga púrpura ", un compuesto intermetálico de oro y aluminio quebradizo, a veces asociado con el cable de unión de oro puro. Esta propiedad hace que el aluminio sea ideal para la unión ultrasónica).
A continuación, el cable pasa a través del capilar y la máquina se mueve unos pocos milímetros hasta el lugar donde se debe conectar el chip (generalmente llamado marco conductor [3] ). La máquina desciende nuevamente a la superficie, esta vez sin hacer una bola para que el cable quede 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 tiene un aspecto bastante diferente al del enlace de bola y se conoce como enlace de cuña , enlace de cola o simplemente como segundo enlace .
En el paso final, la máquina suelta un pequeño trozo de cable y lo arranca de la superficie utilizando un juego de pinzas. Esto deja un pequeño trozo de cable colgando del extremo del capilar. A continuación, el ciclo vuelve a empezar con la carga eléctrica de alto voltaje aplicada a este trozo.
El proceso en el que el alambre se corta justo después de que se forma la bola también se denomina "boom de pernos" . El "boom de pernos" se utiliza al apilar chips en módulos de sistema en paquete (SIP). [4]
Las máquinas de última generación actuales (a fecha de 2003 [actualizar]) pueden repetir este ciclo unas 20 veces por segundo. Una máquina de soldadura por bolas moderna es totalmente automática y es esencialmente un robot industrial autosuficiente, equipado 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 con pernos o transductores Langevin. Consisten en componentes metálicos y elementos piezoeléctricos, todos unidos por un perno. Estos transductores funcionan a su frecuencia resonante de vibración lateral para introducir excitación ultrasónica lateral en el 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 al ser excitados por voltaje alterno (que estará en la frecuencia de resonancia), lo que provoca 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 del elemento piezoeléctrico a la estructura, se colocan en los 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 un cuerno cónico para amplificar la vibración. Se pueden utilizar diferentes perfiles de conicidad para obtener el resultado deseado, como una conicidad lineal o una conicidad parabólica. La conicidad del cuerno reduce el área de la sección transversal, lo que provoca una mayor densidad de energía ultrasónica, lo que a su vez 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 áreas de difícil acceso. [5]
El perno sujeta toda la estructura atornillándola al cuerno (según la configuración). Es necesario administrar una precarga correcta para optimizar el rendimiento. Las cerámicas piezoeléctricas son débiles bajo tensión; por lo tanto, una precarga grande garantizará que las cerámicas funcionen principalmente en compresión debido a la tensión de polarización. [5]