Wire bonding (bondowanie drutem) to powszechnie stosowana technika polegająca na wykonywaniu wzajemnych połączeń pomiędzy układami scalonymi (mikrochipami) lub strukturami półprzewodnikowymi (np. diodami LED), a ich obudowami lub płytkami PCB. Połączenia te wykonywane są za pomocą cienkich metalowych drutów lub taśm, najczęściej złotych, miedzianych lub aluminiowych, które łączone są w procesie bondowania termosonicznego lub ultrasonicznego z jednej strony do wyprowadzeń układu scalonego, a z drugiej do pinów na obudowie lub płytce drukowanej. Dzięki możliwości tworzenia elastycznych i niezawodnych połączeń elektrycznych wire bonding jest kluczowy dla rozwoju i produkcji mikroelektroniki.

Własność TPT Wire Bonder GmbH & Co. KG

Rodzaje połączeń

W powszechnym zastosowaniu istnieją trzy rodzaje połączeń: wedge-wedge (klin-klin), ball-wedge (kulka-klin) oraz ribbon (łączenie taśm).

Ultrasoniczne bondowanie wedge-wedge jest wykorzystywane do wykonywania połączeń złotym lub aluminiowym drutem. Istnieje również możliwość zastosowania drutu miedzianego dla aplikacji gdzie występuje duży pobór mocy. Technika ta pozwala na łączenie cienkich drutów (od kilkunastu do kilkudziesięciu μm) oraz grubych drutów (kilkaset μm). Do głównych zalet tego rodzaju połączenia zalicza się możliwość bondowania do bardzo małych pad’ów oraz wykonywanie płaskich i długich pętli.

Własność TPT Wire Bonder GmbH & Co. KG

Termosoniczne bondowanie ball-wedge wykorzystuje połączenie ciepła, siły nacisku i energii ultradźwiękowej do utworzenia spoiny pomiędzy złotą, miedzianą lub srebrną kulką (Free-Air Ball), a powierzchnią mikrochipa. Cienki drut jest przeciągany przez kapilarę wykonaną z ultra-drobnej ceramiki, na której końcówce do drutu przykładany jest ładunek elektryczny o wysokim napięciu. Powoduje to stopienie drutu w kulkę w tzw. procesie Electronic Flame-Off (EFO) . Za pomocą nacisku (siły bondowania) i energii ultradźwiękowej kapilara łączy teraz utworzoną FAB z powierzchnią podłoża. Następnie tworzona jest pętla i wykonywane jest drugie połączenie w postaci wedge. Do głównych zalet bondowania ball-wedge zalicza się bardzo stabilny pierwszy bond oraz pionowy ruch kapilary po wykonaniu pierwszego połączenia umożliwiający stworzenie pętli w dowolnym kierunku lub dla dużych różnic wysokości (układy scalone 3D).

Własność TPT Wire Bonder GmbH & Co. KG

Bondowanie ribbon wykonywane jest tak samo jak ultrasoniczne bondowanie wedge-wedge tylko z wykorzystaniem metalowych taśm o przekroju prostokątnym (aż do kilku mm szerokości). Połączenie ribbon charakteryzuje się niską impedancją i znacznym rozpraszaniem ciepła. Ze względu na te właściwości taśmy są często stosowane w technologii częstotliwości radiowych (RF).

Własność TPT Wire Bonder GmbH & Co. KG

Wykorzystywane materiały do produkcji połączeń drutowych

Najczęściej wykorzystywanymi materiałami do tworzenie bondów są:

Złoto: preferowane ze względu na doskonałą przewodność elektryczną, odporność na utlenianie i plastyczność, co pozwala na tworzenie bardzo cienkich połączeń drutowych dla zastosowań wysokoczęstotliwościowych.

Aluminium: charakteryzuje się niewiele mniejszym przewodnictwem elektrycznym niż złoto, ale jest bardziej korzystne cenowo. Łączenie drutem aluminiowym jest zwykle używane w standardowych zastosowaniach przy średnich częstotliwościach.

Miedź: jest tańsza niż aluminium i złoto, o dobrej przewodności elektrycznej, ale wymagająca powłok antyoksydacyjnych. Miedziany przewód jest używany do połączeń o niskiej częstotliwości i dużym poborze mocy.

Srebro: okazjonalnie wykorzystywane do połączeń drutowych ze względu na jego doskonałe właściwości elektryczne, odpowiednie do niszowych zastosowań wymagających maksymalnej przewodności.

Nietypowe zastosowania

Po za wykorzystaniem wire bondingu w typowych aplikacjach takich jak połączenia elektryczne w mikroelektronice, technika ta znajduje swoje zastosowanie także w innych branżach. Bonder’y wykorzystuje się, np. przy wyprowadzaniu kontaktów elektrycznych z prototypowych struktur półprzewodnikowych, łączenia ogniw w akumulatorach czy wykonywania połączeń izolowanym drutem miedzianym (realna alternatywa dla lutowania).

Własność TPT Wire Bonder GmbH & Co. KG

Jakub Snarski