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COLLEGAMENTO CON FILI

SCHEDA INFORMATIVA DELLA BASE DI CONOSCENZA

Cos'è il wire bonding?

La saldatura a filo è il metodo con cui un filo di metallo morbido di piccolo diametro viene fissato a una superficie metallica compatibile senza l'uso di saldatura, flussante e, in alcuni casi, senza l'utilizzo di calore superiore a 150 gradi Celsius. I metalli morbidi includono oro (Au), rame (Cu), argento (Ag), alluminio (Al) e leghe come palladio-argento (PdAg) e altri.

Comprensione delle tecniche e dei processi di saldatura a filo per applicazioni di assemblaggio di microelettronica.
Tecniche/Processi di saldatura a cuneo: saldatura a nastro, a sfera termosonica e a cuneo ultrasonico
Il wire bonding è il metodo utilizzato per realizzare interconnessioni tra un circuito integrato (IC) o un dispositivo semiconduttore simile e il suo contenitore o leadframe durante la produzione. Viene comunemente utilizzato anche per fornire connessioni elettriche negli assemblaggi di pacchi batteria agli ioni di litio. Il wire bonding è generalmente considerato la tecnologia di interconnessione microelettronica più economica e flessibile disponibile ed è utilizzato nella maggior parte dei contenitori per semiconduttori prodotti oggi. Esistono diverse tecniche di wire bonding, tra cui: Wire bonding a termocompressione:
La saldatura a termocompressione (che consiste nel unire superfici simili (solitamente in oro) sotto una forza di serraggio con temperature di interfaccia elevate, in genere superiori a 300 °C, per produrre una saldatura) è stata inizialmente sviluppata negli anni '50 per le interconnessioni microelettroniche, ma è stata rapidamente sostituita dalla saldatura a ultrasuoni e termosonica negli anni '60 come tecnologia di interconnessione dominante. La saldatura a termocompressione è ancora utilizzata oggi per applicazioni di nicchia, ma generalmente evitata dai produttori a causa delle elevate temperature di interfaccia (spesso dannose) necessarie per realizzare una saldatura efficace. Saldatura a filo a cuneo a ultrasuoni:
Negli anni '60, la saldatura a filo con ultrasuoni a cuneo divenne la metodologia di interconnessione dominante. L'applicazione di una vibrazione ad alta frequenza (tramite un trasduttore risonante) all'utensile di saldatura, con una forza di serraggio simultanea, consentiva di saldare fili di alluminio e oro a temperatura ambiente. Questa vibrazione ultrasonica contribuisce a rimuovere i contaminanti (ossidi, impurità, ecc.) dalle superfici di saldatura all'inizio del ciclo di saldatura e a promuovere la crescita intermetallica per sviluppare e rafforzare ulteriormente il legame. Le frequenze tipiche per la saldatura sono 60 – 120 kHz. La tecnica del cuneo ultrasonico prevede due principali tecnologie di processo: saldatura di fili di grandi dimensioni (pesanti) per fili con diametro >100 µm; saldatura di fili sottili (piccoli) per fili con diametro <75 µm. Esempi di cicli tipici di saldatura a ultrasuoni sono disponibili qui per i fili sottili e qui per i fili di grandi dimensioni. La saldatura a cuneo ultrasonico utilizza uno strumento di saldatura specifico o "cuneo", solitamente realizzato in carburo di tungsteno (per fili di alluminio) o carburo di titanio (per fili d'oro) a seconda dei requisiti di processo e dei diametri dei fili; sono disponibili anche cunei con punta in ceramica per applicazioni specifiche. Saldatura termosonica dei fili:
Quando è necessario un riscaldamento supplementare (tipicamente per il filo d'oro, con interfacce di saldatura nell'intervallo di 100-250 °C), il processo è chiamato saldatura a filo termosonico. Questo sistema presenta grandi vantaggi rispetto al tradizionale sistema di termocompressione, poiché richiede temperature di interfaccia molto più basse (è stata menzionata la saldatura dell'oro a temperatura ambiente, ma in pratica non è affidabile senza calore aggiuntivo). Saldatura a sfera termosonica:
Un'altra forma di saldatura a filo termosonico è la saldatura a sfera (vedi il ciclo di saldatura a sfera qui). Questa metodologia utilizza uno strumento di saldatura capillare in ceramica al posto dei tradizionali design a cuneo per combinare le migliori qualità della saldatura a termocompressione e a ultrasuoni senza gli svantaggi. La vibrazione termosonica garantisce che la temperatura dell'interfaccia rimanga bassa, mentre la prima interconnessione, la saldatura a sfera termocompressa, consente di posizionare il filo e la saldatura secondaria in qualsiasi direzione, non in linea con la prima saldatura, che è un limite nella saldatura a filo a ultrasuoni. Per la produzione automatica ad alto volume, le saldatrici a sfera sono considerevolmente più veloci delle saldatrici a ultrasuoni/termosonico (a cuneo), rendendo la saldatura a sfera termosonica la tecnologia di interconnessione dominante nella microelettronica negli ultimi 50 anni e oltre. Saldatura a nastro:
La saldatura a nastro, che utilizza nastri metallici piatti, è stata dominante nell'elettronica RF e a microonde per decenni (il nastro offre un miglioramento significativo nella perdita di segnale [effetto pelle] rispetto al tradizionale filo rotondo). I piccoli nastri d'oro, tipicamente larghi fino a 75 µm e spessi 25 µm, vengono saldati tramite un processo termosonico con un grande strumento di saldatura a cuneo a superficie piana. Anche i nastri di alluminio, larghi fino a 2.000 µm e spessi 250 µm, possono essere saldati con un processo a ultrasuoni a cuneo, poiché è aumentata la necessità di interconnessioni a bassa densità e con un numero ridotto di anelli.

Che cos'è il filo di collegamento in oro?

La saldatura a filo d'oro è il processo mediante il quale un filo d'oro viene collegato a due punti di un assemblaggio per formare un'interconnessione o un percorso elettricamente conduttivo. Calore, ultrasuoni e forza vengono tutti impiegati per creare i punti di fissaggio del filo d'oro. Il processo di creazione del punto di fissaggio inizia con la formazione di una sfera d'oro sulla punta dell'utensile di saldatura a filo, il capillare. Questa sfera viene premuta sulla superficie riscaldata dell'assemblaggio applicando contemporaneamente una forza specifica per l'applicazione e una frequenza di ultrasuoni compresa tra 60 kHz e 152 kHz. Una volta realizzato il primo collegamento, il filo viene manipolato in modo controllato per formare l'anello appropriato alla geometria dell'assemblaggio. Il secondo collegamento, spesso chiamato "cucitura", viene quindi formato sull'altra superficie premendo con il filo e utilizzando un morsetto per spezzare il filo in corrispondenza del collegamento.

La saldatura con fili d'oro offre un metodo di interconnessione all'interno dei componenti altamente conduttivo, quasi di un ordine di grandezza superiore rispetto ad alcune saldature. Inoltre, i fili d'oro presentano un'elevata tolleranza all'ossidazione rispetto ad altri materiali e sono più morbidi della maggior parte degli altri, caratteristica essenziale per le superfici delicate.
Il processo può variare anche in base alle esigenze dell'assemblaggio. Con materiali sensibili, una sfera d'oro può essere posizionata sulla seconda area di saldatura per creare sia un legame più forte che un legame più "morbido" per evitare danni alla superficie del componente. In spazi ristretti, una singola sfera può essere utilizzata come punto di partenza per due saldature, formando un legame a "V". Quando una saldatura a filo deve essere più robusta, una sfera può essere posizionata sopra una saldatura per creare un legame di sicurezza, aumentando la stabilità e la resistenza del filo. Le numerose applicazioni e varianti della saldatura a filo sono pressoché illimitate e possono essere realizzate grazie all'utilizzo del software automatizzato dei sistemi di saldatura a filo Palomar.