Склеивание шариков
Шаровое соединение представляет собой тип соединения проводов и является наиболее распространенным способом создания электрических соединений между голым кремниевым кристаллом и выводной рамкой корпуса, в который он помещен во время изготовления полупроводниковых устройств .
Можно использовать золотую или медную проволоку, хотя золото встречается чаще, поскольку его оксид не так проблематичен при сварке. Если используется медная проволока, в качестве защитного газа необходимо использовать азот , чтобы предотвратить образование оксидов меди в процессе соединения проводов. Медь также тверже золота, что повышает вероятность повреждения поверхности чипа. Однако медь дешевле золота и имеет превосходные электрические свойства. [1] и поэтому остается убедительным выбором.
Почти во всех современных процессах сварки шариков используется сочетание тепла, давления и ультразвуковой энергии для сварки на каждом конце проволоки. Используемая проволока может иметь диаметр всего 15 мкм — так, что несколько сварных швов могут поместиться по ширине человеческого волоса.
Человек, впервые увидевший шариковую скрепляющую машину, обычно сравнивает ее работу с работой швейной машины . На самом деле существует одноразовый инструмент в форме иглы, называемый капилляром , через который подается проволока. К проводу приложен электрический заряд высокого напряжения. При этом проволока на кончике капилляра расплавляется. Кончик проволоки образует шар из-за поверхностного натяжения расплавленного металла.
Шарик быстро затвердевает, и капилляр опускается на поверхность чипа, который обычно нагревается как минимум до 125 °C. Затем аппарат нажимает на капилляр и подает ультразвуковую энергию с помощью прикрепленного преобразователя . Комбинация тепла, давления и ультразвуковой энергии создает сварной шов между медным или золотым шариком и поверхностью чипа, которая обычно состоит из меди или алюминия . Это так называемая шаровая связь , которая и дала этому процессу название. [2] (Полностью алюминиевые системы в производстве полупроводников устраняют « фиолетовую чуму » — хрупкое интерметаллическое соединение золота и алюминия, которое иногда ассоциируется с соединительной проволокой из чистого золота. Это свойство делает алюминий идеальным для ультразвуковой сварки.)
Затем провод пропускается через капилляр, и машина перемещается на несколько миллиметров к месту, к которому необходимо подключить чип (обычно называемому выводной рамкой). [3] ). Машина снова опускается на поверхность, на этот раз не делая шарика, чтобы проволока защемилась между выводной рамкой и кончиком капилляра. На этот раз поверхность обычно бывает золотой, палладиевой или серебряной, но сварной шов выполнен таким же образом. Полученный сварной шов по внешнему виду сильно отличается от шарового соединения и называется клиновым соединением , хвостовым соединением или просто вторым соединением .
На последнем этапе машина выделяет небольшой отрезок проволоки и отрывает ее от поверхности с помощью набора зажимов. свисает небольшой хвостик В результате с конца капилляра проволоки. Затем цикл начинается снова, когда к этому хвосту прикладывается электрический заряд высокого напряжения.
Процесс, при котором проволока разрезается сразу после формирования шарика, также называется ударом шпильки . Выталкивание шпилек используется при укладке микросхем в модули «система в корпусе » (SIP). [4]
Современные современные машины (по состоянию на 2003 г. [update]) может повторять этот цикл примерно 20 раз в секунду. Современная машина для склеивания шариков полностью автоматическая и, по сути, представляет собой самодостаточный промышленный робот, оснащенный системой технического зрения, датчиками и сложными сервосистемами.
Датчик с шариковым соединением
[ редактировать ]Пьезоэлектрические преобразователи используются для обеспечения ультразвуковой энергии в процессе склеивания шариков. Эти датчики известны как датчики с болтовым зажимом или датчики Ланжевена. Они состоят из металлических компонентов и пьезоэлектрических элементов, скрепленных болтом. Эти преобразователи работают на резонансной частоте боковой вибрации, вызывая боковое ультразвуковое возбуждение капилляра. Вдоль латерального направления преобразователя существуют узловые точки (большое смещение) и антиузловые точки (нет смещения). Пьезоэлектрические элементы расширяются и сжимаются при возбуждении переменным напряжением (которое будет на резонансной частоте), тем самым возбуждая резонансные колебания в конструкции. Обычно несколько элементов складываются друг в друга, чтобы увеличить электрическое поле для приложенного напряжения (напряжение создается пропорционально электрическому полю). Чтобы максимизировать передачу энергии от пьезоэлектрического элемента к конструкции, их размещают в узлах, которые представляют собой области высоких деформаций и напряжений. В то же время, чтобы минимизировать потери энергии в окружающую среду, датчик удерживается в пучности (без смещения). [5]
На переднем конце преобразователя используется конический рупор для усиления вибрации. Для получения желаемого результата можно использовать различные профили конусности, например, линейный конус или параболический конус. Конус рупора уменьшает площадь поперечного сечения, вызывая большую плотность ультразвуковой энергии, что приводит к большему смещению вблизи кончика. По этой причине капилляр размещается рядом с кончиком. В капилляре возбуждаются изгибные моды высших порядков, которые совершенно неидеальны. Чтобы смягчить этот эффект, положение зажима капилляра регулируется по пучности капилляра. В идеале капилляр должен быть коротким, но это невозможно, поскольку соединение необходимо осуществлять в труднодоступных местах. [5]
Болт скрепляет всю конструкцию, вкручиваясь в рожок (в зависимости от комплектации). Для оптимизации производительности необходимо настроить правильную предварительную нагрузку. Пьезокерамика слаба при растяжении; следовательно, большая предварительная нагрузка гарантирует, что керамика будет работать в основном на сжатие из-за напряжения смещения. [5]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «Склеивание медной (Cu) проволоки или соединение медной проволоки» . www.siliconfareast.com .
- ^ «AMETEK Electronic Components and Packaging, ведущий мировой производитель комплексных электронных упаковочных решений для суровых условий эксплуатации и приложений, чувствительных к надежности» . www.coininginc.com . Архивировано из оригинала 20 марта 2014 г. Проверено 28 июля 2009 г.
- ^ «Выводные рамки или Выводные рамки — страница 1 из 2» . www.siliconfareast.com .
- ^ «AMETEK Electronic Components and Packaging, ведущий мировой производитель комплексных электронных упаковочных решений для суровых условий эксплуатации и приложений, чувствительных к надежности» . www.coininginc.com . Архивировано из оригинала 23 октября 2010 г. Проверено 28 июля 2009 г.
- ^ Перейти обратно: а б с Ян, Тянь-Хун; и др. (24 июня 2009 г.). «Проектирование интеллектуального ультразвукового преобразователя для соединения машин» . Датчики . 9 (6): 4986–5000. Бибкод : 2009Senso...9.4986Y . дои : 10.3390/s90604986 . ПМК 3291949 . ПМИД 22408564 .