Acuan semikonduktor kosong yang baru dikeluarkan dari wafer tidak mempunyai petunjuk, tiada pakej, dan tiada cara untuk menyambung kepada apa-apa. Mengubahnya menjadi peranti berfungsi memerlukan dua operasi berasingan yang sering digabungkan dalam perbualan santai tetapi tujuannya sangat berbeza. Ikatan acuan meletakkan cip pada pembawanya. Ikatan wayar menjalankan sambungan elektrik dari permukaan cip ke dunia luar. Satu operasi selesai sebelum yang lain bermula, dan kedua-duanya tidak dapat menutup kekurangan yang lain.
Dari Mana Kekeliruan Berasal
Kedua-dua proses berlaku di dalam barisan pembungkusan yang sama, selalunya dalam jarak beberapa meter antara satu sama lain. Kedua-duanya melibatkan penempatan yang tepat dan tenaga haba. Kedua-duanya tidak kelihatan dalam produk siap. Persamaan permukaan itu menyebabkan ramai orang menganggapnya sebagai variasi langkah yang sama. Sebenarnya, ia tidak.
Cara paling mudah untuk memisahkannya: ikatan acuan adalah mengenai kedudukan dan haba. Ikatan dawai adalah mengenai arus dan isyarat.
Ikatan Die: Membuat Cip Kekal Di Tempatnya
Ikatan acuan, kadangkala dipanggil pelekat acuan, bermula dengan gerakan pilih dan letakkan. Muncung vakum mengangkat acuan tunggal daripada filem wafer. Sistem penglihatan menyelaraskan acuan ke lokasi sasaran pada bingkai plumbum atau substrat. Muncung menurunkan dan menekan acuan ke dalam jumlah pelekat yang diukur atau ke atas permukaan logam yang dipanaskan.
Apa yang memegang acuan di tempatnya selepas itu bergantung pada bahan yang dipilih.
Epoksi berisi perak kekal sebagai bahan utama bagi kebanyakan cip pengguna dan perindustrian. Ia mengeras pada suhu sederhana, bertolak ansur dengan pendispensan berkelajuan tinggi dan mengalirkan haba dan elektrik dengan cukup baik untuk aplikasi arus perdana.
Ikatan eutektik mengambil laluan yang berbeza. Sistem emas-silikon atau emas-timah membentuk sambungan aloi pada suhu melebihi 280°C. Ikatan yang terhasil mempunyai rintangan haba beberapa kali lebih rendah daripada epoksi, itulah sebabnya transistor kuasa, diod laser dan LED output tinggi menggunakannya walaupun kosnya lebih tinggi dan tempoh proses yang lebih ketat.
Perak sinter telah mendapat tempat dalam beberapa tahun kebelakangan ini untuk peranti silikon karbida dan galium nitrida. Zarah perak bergabung menjadi lapisan berliang tetapi sangat konduktif pada suhu jauh di bawah takat lebur perak. Sambungan ini tahan suhu yang akan memusnahkan pateri, menjadikannya menarik untuk elektronik bawah hud dan pemacu motor perindustrian.
Lapisan pelekat acuan biasanya hanya setebal beberapa mikrometer hingga beberapa puluh mikrometer. Walaupun nipis, lapisan ini terletak betul-betul di laluan haba primer. Setiap lompang, setiap tompokan yang terkelupas, setiap retakan menambah rintangan haba. Lapisan pelekat acuan dengan lompang 50% boleh menolak suhu simpang berpuluh-puluh darjah lebih tinggi daripada sambungan bebas lompang di bawah beban elektrik yang sama. Tiada jumlah ikatan wayar pintar di hilir akan membetulkannya.
Ikatan Wayar: Membina Jambatan Elektrik
Sebaik sahaja acuan dipasang, ikatan dawai akan mengambil alih. Matlamatnya di sini adalah untuk menyambungkan pad aluminium pada permukaan atas cip ke terminal yang sepadan pada pakej atau substrat.
Wayar emas kekal sebagai lalai untuk kebanyakan kerja pic halus. Percikan api mencairkan hujung dawai menjadi bebola kecil, yang kemudiannya ditekan pada pad acuan semasa pad dipanaskan dan tenaga ultrasonik dikenakan. Atom emas dan aluminium meresap antara satu sama lain pada antara muka, membentuk ikatan antara logam. Kapilari kemudian menyapu dawai ke terminal pakej, membuat ikatan kedua, dan memutuskan dawai tersebut.
Dawai kuprum telah menggantikan emas dalam banyak produk yang sensitif kos dan bervolum tinggi. Kuprum mengalirkan haba dan elektrik dengan lebih baik daripada emas dan harganya sedikit lebih mahal. Tukar tambahnya adalah kekerasan. Kuprum memerlukan lebih banyak daya ikatan, yang boleh memecahkan struktur pad sensitif, dan ia mudah teroksida, jadi persekitaran ikatan mesti mengecualikan oksigen.
Wayar aluminium digunakan untuk peranti kuasa dan litar frekuensi tinggi. Ia tidak boleh dibentuk menjadi bola dengan andal, jadi ikatan baji digunakan sebagai gantinya: dawai ditekan rata ke atas pad di bawah daya dan getaran ultrasonik, menghasilkan sambungan yang luas dan berprofil rendah. Ikatan baji bertolak ansur dengan arus yang lebih tinggi dan terletak lebih dekat dengan permukaan acuan berbanding ikatan bola.
Wayar itu sendiri direka bentuk untuk menjadi rapuh. Diameternya antara 15 µm untuk talian isyarat pic halus hingga 76 µm atau lebih untuk sambungan kuasa. Sehelai rambut manusia mempunyai lebar kira-kira 70 µm. Filamen ini menanggung keseluruhan hayat elektrik peranti sambil mengalami kitaran haba yang berulang kali mengembang dan mengecutkannya pada pad yang diletakkannya.
Perbezaan Yang Penting
| Aspek | Ikatan Mati | Ikatan Wayar |
|---|---|---|
| Tujuan | Tetapkan acuan pada kedudukannya; mengalirkan haba keluar | Membawa arus dan isyarat dari acuan ke pakej |
| Pesan dalam barisan | Pertama | Kedua, selepas ikatan acuan |
| Kegagalan biasa | Delaminasi, pertumbuhan lompang, pelarian haba | Pengangkatan ikatan, keretakan leher, patah tumit |
| Apa yang berlaku apabila ia gagal | Cip terlalu panas atau tertanggal | Litar terbuka; peranti mati |
| Peranan Haba | Laluan keluar haba primer | Penyingkiran haba yang boleh diabaikan |
Jadual tersebut merangkumi perkara-perkara penting, tetapi beberapa perkara perlu diperluaskan.
Kegagalan ikatan acuan cenderung berlaku secara beransur-ansur. Lompang yang terbentuk semasa pengawetan mungkin tidak menyebabkan masalah segera. Melalui ratusan atau ribuan kitaran terma, lompang itu membesar, bergabung dengan yang berdekatan, dan secara beransur-ansur tersumbat dari laluan haba. Peranti tidak mati secara tiba-tiba. Ia menjadi lebih panas, lebih cepat tua, dan akhirnya melepasi ambang batas.
Kegagalan ikatan dawai selalunya berlaku secara tiba-tiba. Retakan leher yang merambat melalui keratan rentas paling sempit ikatan bola memutuskan sambungan dalam sekelip mata. Retakan tumit pada ikatan baji juga melakukan perkara yang sama. Peranti ini berfungsi pada satu ketika dan gagal pada saat berikutnya.
Perbezaan ini membentuk cara ujian kebolehpercayaan direka bentuk. Kualiti pelekat acuan dinilai melalui kitaran haba, kitaran kuasa dan ujian ricih acuan yang mengukur berapa banyak daya yang boleh ditahan oleh ikatan sebelum acuan tergelincir. Kualiti ikatan dawai dinilai melalui ujian tarik dan ujian ricih bola yang mengukur kekuatan ikatan individu, serta penyimpanan suhu tinggi untuk mempercepatkan pertumbuhan antara logam.
Mengapa Urutan Tidak Boleh Diterbalikkan
Yang pengikat meletakkan cip. Pengikat wayar mencari cip. Tertib itu bukanlah satu pilihan. Ia adalah keperluan fizikal.
Pengikat dawai menggunakan pengecaman corak untuk mencari pad acuan. Jika acuan tidak ditetapkan, ia akan beralih di bawah daya ikatan dan sistem penglihatan akan kehilangan rujukannya. Walaupun beberapa mikrometer pergerakan semasa ikatan sudah cukup untuk menyebabkan kesilapan.
Ketepatan penempatan acuan juga menetapkan had untuk kualiti ikatan dawai. Acuan yang diletakkan di luar pusat memaksa pengikat dawai merentangi jarak yang lebih jauh untuk sampai ke terminal pakej. Wayar yang lebih panjang lebih kendur, bergema pada frekuensi yang lebih rendah dan lebih mudah tersapu semasa pengacuan. Dalam kes yang teruk, ofset melebihi julat pengecaman pengikat dan mesin tidak dapat menemui pad.
Realiti Terma: Lampiran Die Menetapkan Had
Jurutera elektronik kuasa menghabiskan banyak usaha untuk memilih bahan pelekat acuan dan meminimumkan kandungan lompang. Mereka menghabiskan lebih sedikit masa untuk bimbang tentang prestasi terma ikatan dawai, dan atas sebab yang baik.
Lapisan pelekat acuan meliputi seluruh bahagian belakang cip. Haba merebak dari simpang merentasi kawasan acuan penuh dan melalui antara muka yang luas ini ke dalam substrat. Sebaliknya, ikatan dawai hanya bersentuhan dengan cip pada pad kecil. Jumlah luas keratan rentasnya adalah sebahagian kecil daripada kawasan pelekat acuan. Haba yang dibawanya juga kecil.
Ini bermakna peranti dengan ikatan dawai yang sangat baik dan sambungan acuan yang lemah masih akan panas. Peranti dengan ikatan dawai yang biasa-biasa sahaja dan sambungan acuan yang sangat baik akan sejuk—sehingga ikatan dawai retak dan litar terbuka. Kedua-dua proses mengawal garis masa kegagalan yang berbeza: sambungan acuan mengawal berapa lama peranti berada dalam had haba, manakala ikatan dawai mengawal berapa lama laluan elektrik kekal utuh.
Implikasi Praktikal untuk Analisis Kegagalan
Apabila peranti yang dibungkus kembali dari lapangan, tandatangan kegagalan menunjukkan proses yang bertanggungjawab.
Pemanasan melampau, prestasi yang merosot dari semasa ke semasa, atau cip yang telah terpisah secara fizikal daripada substratnya menyebabkan ikatan acuan. Lapisan pelekat berkemungkinan telah terkelupas atau terkosong, dan laluan haba telah terdegradasi.
Peranti yang berhenti berfungsi—tiada isyarat, tiada arus, litar terbuka—menunjukkan ikatan wayar. Satu atau lebih ikatan telah gagal, dan laluan elektrik terputus.
Mengelirukan kedua-duanya membawa kepada usaha yang sia-sia. Menggantikan parameter ikatan dawai tidak akan membaiki pelekat acuan yang terkelupas. Mengalirkan semula pelekat acuan tidak akan membaiki leher ikatan dawai yang retak. Mod kegagalan memberitahu anda proses mana yang perlu disiasat.
Apa Maknanya Ini untuk Reka Bentuk Pakej
Pereka bentuk yang memahami pembahagian kerja antara dua langkah ini membuat pertukaran yang lebih baik.
Jika pengurusan haba menjadi penghalang, bahan pelekat acuan dan kawalan lompang patut diberi perhatian paling banyak. Penaiktarafan daripada epoksi kepada perak sintered atau pateri eutektik boleh mengurangkan rintangan haba secara mendadak.
Jika prestasi elektrik atau kelakuan frekuensi tinggi menjadi kekangan, panjang ikatan dawai, ketinggian gelung dan pemilihan bahan akan diutamakan. Gelung yang lebih pendek dan lebih rendah mengurangkan induktans dan crosstalk.
Jika kebolehpercayaan di bawah kitaran terma menjadi kebimbangan, kedua-dua proses itu penting, tetapi ia gagal pada skala masa yang berbeza. Degradasi pelekat acuan cenderung secara beransur-ansur dan boleh diramal. Kegagalan ikatan dawai boleh berlaku secara tiba-tiba dan membawa bencana. Margin reka bentuk mesti mengambil kira kedua-dua corak.
Soalan Lazim
Bolehkah cip berfungsi tanpa ikatan acuan?
Tidak. Acuan mesti dipasang secara mekanikal sebelum sebarang sambungan elektrik boleh dibuat. Tanpa ikatan acuan, cip akan bergerak semasa ikatan wayar, menjadikan lokasi pad yang tepat mustahil. Ikatan acuan juga menyediakan laluan utama untuk haba meninggalkan cip.
Adakah ikatan dawai sentiasa diperlukan selepas ikatan acuan?
Tidak selalunya. Pembungkusan cip flip meletakkan acuan menghadap ke bawah, jadi bonggol pada permukaan acuan bersentuhan langsung dengan pad substrat. Ini menghapuskan ikatan wayar sepenuhnya. Walau bagaimanapun, langkah ikatan acuan dalam cip flip mesti serentak menyediakan fiksasi mekanikal dan sambungan elektrik, yang meletakkan tuntutan yang lebih ketat pada ketepatan peletakan.
Proses yang manakah mempunyai impak yang lebih besar terhadap jangka hayat peranti?
Kedua-duanya menjejaskan jangka hayat, tetapi melalui mekanisme yang berbeza. Ikatan acuan yang lemah menyebabkan suhu simpang yang tinggi, yang mempercepatkan hampir setiap mekanisme degradasi semikonduktor yang diketahui. Ikatan wayar yang lemah menyebabkan litar terbuka, yang menamatkan hayat peranti dengan serta-merta. Dalam praktiknya, kegagalan ikatan wayar lebih biasa dalam pulangan medan, tetapi degradasi ikatan acuan selalunya menetapkan keadaan yang mempercepatkan keletihan ikatan wayar.
Mengapakah dawai kuprum memerlukan kawalan proses yang lebih teliti berbanding dawai emas?
Kuprum lebih keras daripada emas, jadi ia memerlukan daya ikatan yang lebih tinggi. Daya itu boleh memecahkan struktur pad yang rapuh atau lapisan dielektrik di bawahnya. Kuprum juga teroksida dengan cepat, jadi atmosfera ikatan mesti dikawal untuk mencegah pembentukan oksida pada permukaan dawai. Emas tidak mempunyai masalah ini, itulah sebabnya ia kekal diutamakan untuk peranti yang halus atau berkebolehpercayaan tinggi.
Bagaimanakah kekosongan pada pelekat acuan mempengaruhi rintangan haba?
Lompang menggantikan bahan pengalir haba dengan udara atau vakum, kedua-duanya merupakan penebat haba yang sangat baik. Lompang kecil yang berselerak meningkatkan rintangan haba secara kasarnya berkadaran dengan pecahan isipadunya. Lompang besar yang bersebelahan di bawah kawasan aktif cip mewujudkan titik panas yang boleh melebihi suhu simpang selamat walaupun rintangan haba purata kelihatan boleh diterima di atas kertas.