Một chip bán dẫn trần vừa mới tách khỏi tấm wafer không có chân dẫn, không có vỏ bọc và không có cách nào để kết nối với bất cứ thứ gì. Biến nó thành một thiết bị hoạt động được đòi hỏi hai thao tác riêng biệt, thường được gộp chung trong các cuộc trò chuyện thông thường nhưng mục đích của chúng lại hoàn toàn khác nhau. Ghép chip (Die bonding) gắn chip lên đế của nó. Nối dây (Wire bonding) tạo các kết nối điện từ bề mặt chip ra bên ngoài. Một thao tác hoàn thành trước khi thao tác kia bắt đầu, và không thao tác nào có thể bù đắp cho những thiếu sót của thao tác kia.
Nguồn gốc của sự nhầm lẫn
Cả hai quy trình đều diễn ra trong cùng một dây chuyền đóng gói, thường cách nhau chỉ vài mét. Cả hai đều liên quan đến việc định vị chính xác và sử dụng năng lượng nhiệt. Cả hai đều không thể nhìn thấy trong sản phẩm hoàn thiện. Sự tương đồng về bề ngoài đó khiến nhiều người coi chúng là những biến thể của cùng một bước. Nhưng thực tế không phải vậy.
Cách đơn giản nhất để phân biệt chúng: liên kết chip dựa trên vị trí và nhiệt độ. Liên kết dây dẫn dựa trên dòng điện và tín hiệu.
Liên kết khuôn chip: Giúp chip cố định chắc chắn.
Quá trình ghép chip, đôi khi còn được gọi là gắn chip, bắt đầu bằng thao tác gắp và đặt. Một vòi hút chân không sẽ nhấc chip riêng lẻ ra khỏi màng wafer. Hệ thống thị giác sẽ căn chỉnh chip vào vị trí mục tiêu trên khung dẫn hoặc chất nền. Vòi hút sẽ hạ xuống và ép chip vào một lượng keo đã được định lượng hoặc lên một bề mặt kim loại hóa được nung nóng.
Sau đó, vật liệu dùng để giữ khuôn cố định phụ thuộc vào loại vật liệu được chọn.
Keo epoxy chứa bạc vẫn là vật liệu chủ lực cho hầu hết các chip tiêu dùng và công nghiệp. Nó đông cứng ở nhiệt độ vừa phải, chịu được tốc độ bơm cao và dẫn nhiệt, dẫn điện đủ tốt cho các ứng dụng thông thường.
Liên kết eutectic đi theo một con đường khác. Hệ vàng-silicon hoặc vàng-thiếc tạo thành mối nối hợp kim ở nhiệt độ trên 280°C. Mối nối thu được có khả năng chịu nhiệt thấp hơn nhiều lần so với epoxy, đó là lý do tại sao các bóng bán dẫn công suất, điốt laser và đèn LED công suất cao sử dụng nó mặc dù chi phí cao hơn và phạm vi quy trình hẹp hơn.
Bạc thiêu kết đã trở nên phổ biến trong những năm gần đây đối với các thiết bị silicon carbide và gallium nitride. Các hạt bạc kết dính thành một lớp xốp nhưng có độ dẫn điện cao ở nhiệt độ thấp hơn nhiều so với điểm nóng chảy của bạc. Mối hàn này chịu được nhiệt độ mà chất hàn thông thường không thể chịu được, khiến nó trở nên hấp dẫn đối với các thiết bị điện tử dưới nắp ca-pô và các bộ truyền động động cơ công nghiệp.
Lớp keo dán chip thường chỉ dày vài micromet đến vài chục micromet. Mặc dù mỏng như vậy, lớp này nằm ngay trong đường dẫn nhiệt chính. Mỗi lỗ hổng, mỗi mảng bị bong tróc, mỗi vết nứt đều làm tăng điện trở nhiệt. Một lớp keo dán chip có 50% lỗ hổng có thể đẩy nhiệt độ mối nối cao hơn hàng chục độ so với mối nối không có lỗ hổng dưới cùng một tải điện. Không có kỹ thuật hàn dây khéo léo nào ở phía sau có thể khắc phục được điều đó.
Nối dây dẫn: Xây dựng cầu nối điện
Sau khi cố định chip, công đoạn hàn dây sẽ được thực hiện. Mục tiêu ở đây là kết nối các miếng nhôm trên bề mặt trên cùng của chip với các đầu nối tương ứng trên vỏ chip hoặc chất nền.
Dây vàng vẫn là lựa chọn mặc định cho hầu hết các công việc có bước ren nhỏ. Tia lửa điện làm tan chảy đầu dây thành một viên bi nhỏ, sau đó được ép lên đế chip trong khi đế được nung nóng và năng lượng siêu âm được tác dụng. Các nguyên tử vàng và nhôm khuếch tán vào nhau tại giao diện, tạo thành liên kết liên kim loại. Sau đó, ống mao dẫn sẽ đẩy dây đến đầu nối của gói linh kiện, tạo ra liên kết thứ hai và tách dây ra.
Dây đồng đã thay thế vàng trong nhiều sản phẩm có giá thành thấp và sản xuất với số lượng lớn. Đồng dẫn nhiệt và dẫn điện tốt hơn vàng và có giá thành thấp hơn nhiều. Nhược điểm là độ cứng cao. Đồng đòi hỏi lực liên kết lớn hơn, có thể làm nứt các cấu trúc đệm nhạy cảm, và nó dễ bị oxy hóa, vì vậy môi trường liên kết phải loại trừ oxy.
Dây nhôm được sử dụng trong các thiết bị điện và mạch tần số cao. Nó không thể được tạo hình thành một quả cầu một cách đáng tin cậy, vì vậy người ta sử dụng phương pháp hàn nêm: dây được ép phẳng lên miếng đệm dưới tác dụng của lực và rung siêu âm, tạo ra một mối nối rộng và mỏng. Mối hàn nêm chịu được dòng điện cao hơn và nằm gần bề mặt chip hơn so với mối hàn quả cầu.
Bản thân dây dẫn vốn dĩ rất dễ gãy. Đường kính dao động từ 15 µm đối với các đường tín hiệu có bước pitch nhỏ đến 76 µm hoặc hơn đối với các đường kết nối nguồn. Một sợi tóc người có đường kính khoảng 70 µm. Những sợi nhỏ này mang toàn bộ vòng đời điện của thiết bị trong khi phải chịu đựng chu kỳ nhiệt khiến chúng giãn nở và co lại liên tục so với các điểm tiếp xúc mà chúng đặt lên.
Những khác biệt quan trọng
| Diện mạo | Liên kết khuôn | Nối dây |
|---|---|---|
| Mục đích | Cố định khuôn vào vị trí; dẫn nhiệt ra ngoài. | Truyền dòng điện và tín hiệu từ chip đến vỏ bọc. |
| Xếp hàng theo thứ tự | Đầu tiên | Thứ hai, sau khi liên kết khuôn |
| Lỗi điển hình | Tách lớp, hình thành lỗ rỗng, hiện tượng quá nhiệt | bong gân, nứt cổ, gãy gót chân |
| Điều gì sẽ xảy ra khi nó bị hỏng? | Chip quá nóng hoặc bị bong ra | Mạch điện bị hở; thiết bị ngừng hoạt động. |
| Vai trò của Heat | Đường thoát nhiệt chính | Khả năng tản nhiệt không đáng kể |
Bảng này tóm tắt những điểm chính, nhưng một vài điểm cần được bổ sung thêm.
Các lỗi liên kết chip thường diễn ra từ từ. Một lỗ hổng hình thành trong quá trình xử lý nhiệt có thể không gây ra vấn đề ngay lập tức. Sau hàng trăm hoặc hàng nghìn chu kỳ nhiệt, lỗ hổng đó phát triển, hợp nhất với các lỗ hổng lân cận và dần dần làm tắc nghẽn đường dẫn nhiệt. Thiết bị không chết đột ngột. Nó hoạt động ở nhiệt độ cao hơn, lão hóa nhanh hơn và cuối cùng vượt qua một ngưỡng nhất định.
Các lỗi hàn dây thường xảy ra đột ngột. Một vết nứt ở cổ dây lan truyền qua tiết diện hẹp nhất của mối hàn bi sẽ làm đứt kết nối ngay lập tức. Một vết nứt ở gót dây trên mối hàn nêm cũng gây ra hiện tượng tương tự. Thiết bị hoạt động bình thường trong giây lát và hỏng ngay sau đó.
Sự khác biệt này định hình cách thiết kế thử nghiệm độ tin cậy. Chất lượng gắn chip được đánh giá thông qua chu kỳ nhiệt, chu kỳ công suất và các thử nghiệm cắt chip để đo lực mà mối hàn có thể chịu được trước khi chip bị trượt ra. Chất lượng liên kết dây dẫn được đánh giá thông qua các thử nghiệm kéo và thử nghiệm cắt bi để đo độ bền của từng liên kết riêng lẻ, cộng với việc lưu trữ ở nhiệt độ cao để đẩy nhanh sự phát triển của hợp kim liên kim loại.
Vì sao trình tự không thể đảo ngược?
Cái máy hàn Máy đặt chip. Máy hàn dây tìm chip. Thứ tự đó không phải là sự lựa chọn ưu tiên, mà là yêu cầu vật lý.
Máy hàn dây sử dụng nhận dạng mẫu để định vị các điểm tiếp xúc của chip. Nếu chip không được cố định, nó sẽ dịch chuyển dưới lực hàn, và hệ thống thị giác sẽ mất điểm tham chiếu. Thậm chí chỉ vài micromet dịch chuyển trong quá trình hàn cũng đủ để gây ra lỗi.
Độ chính xác vị trí đặt chip cũng quyết định chất lượng mối hàn dây. Một chip được đặt lệch tâm sẽ buộc máy hàn dây phải kéo dài khoảng cách để đến được đầu nối của gói linh kiện. Dây dài hơn sẽ bị võng nhiều hơn, cộng hưởng ở tần số thấp hơn và dễ bị cong vênh hơn trong quá trình đúc. Trong trường hợp nghiêm trọng, độ lệch vượt quá phạm vi nhận diện của máy hàn và máy không thể tìm thấy các điểm tiếp xúc.
Thực tế về nhiệt: Quá trình gắn chip đặt ra giới hạn
Các kỹ sư điện tử công suất dành rất nhiều công sức để lựa chọn vật liệu gắn chip và giảm thiểu khoảng trống. Họ dành ít thời gian hơn để lo lắng về hiệu suất tản nhiệt của dây dẫn, và điều này là hoàn toàn hợp lý.
Lớp gắn chip bao phủ toàn bộ mặt sau của chip. Nhiệt lan tỏa từ mối nối khắp diện tích chip và truyền qua giao diện rộng này vào chất nền. Ngược lại, các mối nối dây chỉ tiếp xúc với chip tại các điểm tiếp xúc nhỏ. Tổng diện tích mặt cắt ngang của chúng chỉ bằng một phần rất nhỏ so với diện tích lớp gắn chip. Do đó, lượng nhiệt chúng mang theo cũng rất nhỏ.
Điều này có nghĩa là một thiết bị có mối nối dây tuyệt vời nhưng khả năng gắn chip kém vẫn sẽ hoạt động ở nhiệt độ cao. Một thiết bị có mối nối dây trung bình nhưng khả năng gắn chip tuyệt vời sẽ hoạt động ở nhiệt độ thấp hơn—cho đến khi một mối nối dây bị nứt và mạch bị hở. Hai quá trình này chi phối các mốc thời gian hỏng hóc khác nhau: khả năng gắn chip kiểm soát thời gian thiết bị duy trì trong giới hạn nhiệt độ cho phép, còn mối nối dây kiểm soát thời gian đường dẫn điện vẫn còn nguyên vẹn.
Ý nghĩa thực tiễn đối với phân tích lỗi
Khi một thiết bị đã được đóng gói và trả lại sau khi sử dụng, dấu hiệu lỗi sẽ chỉ ra quy trình gây ra lỗi đó.
Hiện tượng quá nhiệt, hiệu năng suy giảm theo thời gian, hoặc chip bị tách rời khỏi đế cho thấy vấn đề nằm ở quá trình liên kết chip. Lớp liên kết có thể đã bị bong tróc hoặc tạo lỗ hổng, và đường dẫn nhiệt đã bị suy giảm.
Một thiết bị đột nhiên ngừng hoạt động—không có tín hiệu, không có dòng điện, mạch hở—cho thấy có vấn đề với các mối nối dây. Một hoặc nhiều mối nối đã bị hỏng, và đường dẫn điện bị đứt.
Nhầm lẫn giữa hai điều này sẽ dẫn đến lãng phí công sức. Thay thế các thông số hàn dây sẽ không khắc phục được hiện tượng bong tróc mối hàn chip. Hàn lại mối hàn chip sẽ không sửa chữa được vết nứt ở cổ mối hàn dây. Chế độ lỗi sẽ cho bạn biết cần điều tra quy trình nào.
Điều này có ý nghĩa gì đối với thiết kế bao bì?
Những nhà thiết kế hiểu rõ sự phân công lao động giữa hai bước này sẽ đưa ra những sự cân nhắc kỹ lưỡng hơn.
Nếu quản lý nhiệt là điểm nghẽn, thì vật liệu gắn chip và kiểm soát khe hở cần được chú trọng nhất. Nâng cấp từ epoxy sang bạc thiêu kết hoặc chất hàn eutectic có thể giảm đáng kể điện trở nhiệt.
Nếu hiệu suất điện hoặc đặc tính ở tần số cao là yếu tố hạn chế, thì chiều dài mối nối dây, chiều cao vòng lặp và việc lựa chọn vật liệu sẽ trở nên quan trọng hàng đầu. Vòng lặp ngắn hơn, thấp hơn sẽ giảm độ tự cảm và nhiễu xuyên kênh.
Nếu độ tin cậy dưới tác động của chu kỳ nhiệt là mối quan tâm, cả hai quy trình đều quan trọng, nhưng chúng hỏng ở các mức thời gian khác nhau. Sự suy giảm độ bền của mối nối chip thường diễn ra từ từ và có thể dự đoán được. Hỏng mối nối dây dẫn có thể xảy ra đột ngột và gây hậu quả nghiêm trọng. Biên độ thiết kế phải tính đến cả hai kiểu hỏng này.
Câu hỏi thường gặp
Liệu một con chip có thể hoạt động mà không cần liên kết khuôn (die bonding) không?
Không. Chip phải được cố định bằng cơ học trước khi có thể thực hiện bất kỳ kết nối điện nào. Nếu không có quá trình liên kết chip, chip sẽ di chuyển trong quá trình hàn dây, khiến việc định vị chính xác các điểm tiếp xúc trở nên bất khả thi. Liên kết chip cũng cung cấp đường dẫn chính để nhiệt thoát ra khỏi chip.
Việc nối dây có luôn cần thiết sau khi nối chip không?
Không phải lúc nào cũng vậy. Phương pháp đóng gói flip-chip đặt chip úp xuống, do đó các gờ trên bề mặt chip tiếp xúc trực tiếp với các điểm tiếp xúc trên đế mạch. Điều này loại bỏ hoàn toàn việc nối dây. Tuy nhiên, bước nối chip trong phương pháp flip-chip phải đồng thời đảm bảo cố định cơ học và kết nối điện, điều này đặt ra yêu cầu khắt khe hơn nhiều về độ chính xác khi đặt chip.
Quá trình nào có tác động lớn hơn đến tuổi thọ của thiết bị?
Cả hai đều ảnh hưởng đến tuổi thọ, nhưng thông qua các cơ chế khác nhau. Liên kết chip kém dẫn đến nhiệt độ mối nối tăng cao, làm tăng tốc hầu hết các cơ chế suy thoái bán dẫn đã biết. Liên kết dây dẫn kém dẫn đến mạch hở, làm chấm dứt tuổi thọ thiết bị ngay lập tức. Trên thực tế, lỗi liên kết dây dẫn phổ biến hơn ở các sản phẩm trả lại từ khách hàng, nhưng sự suy thoái liên kết chip thường tạo ra các điều kiện làm tăng tốc độ mỏi liên kết dây dẫn.
Tại sao dây đồng lại đòi hỏi quy trình kiểm soát chặt chẽ hơn so với dây vàng?
Đồng cứng hơn vàng, vì vậy cần lực liên kết cao hơn. Lực này có thể làm nứt các cấu trúc đệm mỏng manh hoặc các lớp điện môi bên dưới. Đồng cũng bị oxy hóa nhanh chóng, do đó môi trường liên kết phải được kiểm soát để ngăn ngừa sự hình thành oxit trên bề mặt dây dẫn. Vàng không gặp phải những vấn đề này, đó là lý do tại sao nó vẫn được ưa chuộng cho các thiết bị tinh vi hoặc có độ tin cậy cao.
Việc tạo khoảng trống trên chip ảnh hưởng đến điện trở nhiệt như thế nào?
Các khoảng trống thay thế vật liệu dẫn nhiệt bằng không khí hoặc chân không, cả hai đều là chất cách nhiệt tuyệt vời. Các khoảng trống nhỏ, phân tán làm tăng điện trở nhiệt tỷ lệ thuận với thể tích của chúng. Các khoảng trống lớn, liền kề dưới vùng hoạt động của chip tạo ra các điểm nóng có thể vượt quá nhiệt độ mối nối an toàn ngay cả khi điện trở nhiệt trung bình trông có vẻ chấp nhận được trên lý thuyết.