Войти
Золотая проволока, скрепленная шариком с золотой контактной площадкой Шаровидное соединение относится к типу соединение проводов, и является наиболее распространенным способом создания электрических соединений между микросхемой и внешним миром в рамках производства полупроводниковых устройств.
Золотой или медный провод. можно использовать, хотя золото более распространено, потому что его оксид не так проблематичен при сварке. Если используется медная проволока, необходимо использовать азот в качестве покровного газа, чтобы предотвратить образование оксидов меди в процессе соединения проволоки. Медь также тверже золота, что увеличивает вероятность повреждения поверхности чипа. Однако медь дешевле золота и обладает превосходными электрическими свойствами, поэтому остается привлекательным выбором.
Практически все современные процессы соединения шариков используют сочетание тепла, давления и ультразвуковой энергии для создания сварного шва на каждом конце проволоки. Используемая проволока может быть всего 15 мкм в диаметре - так, чтобы несколько сварных швов могли уместиться на ширину человеческого волоса.
Человек, впервые увидев устройство для склеивания мячей, обычно сравнивает его работу с работой швейной машины. На самом деле существует игольчатый одноразовый инструмент, называемый капилляром, через который подается проволока. На провод подается высоковольтный электрический заряд. Это плавит проволоку на конце капилляра. Кончик проволоки превращается в шарик из-за поверхностного натяжения расплавленного металла .
Процессы соединения шариков, включая (1) образование шарика и (2) образование шарикового соединения 
Процессы соединения шарика, включая (3) образование петли и (4) образование хвостового соединения Шар быстро затвердевает, и капилляр опускается на поверхность чипа, которая обычно нагревается минимум до 125 ° C. Затем аппарат воздействует 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 кристалла, которая обычно состоит из меди или алюминия. Это так называемая шариковая связь, которая и дала название процессу. (Полностью алюминиевые системы в производстве полупроводников устраняют «пурпурную чуму » - хрупкое интерметаллическое соединение золото-алюминий, иногда связанное с соединительной проволокой из чистого золота. Это свойство делает алюминий идеальным для ультразвукового соединения.)
Схема готового соединения проводов с шариковым соединением Затем провод пропускается через капилляр, и машина перемещается на несколько миллиметров к месту, к которому должен быть подключен чип (обычно это называется рамкой с выводами). Машина снова спускается на поверхность, на этот раз без шара, так что проволока оказывается зажатой между рамкой выводов и концом капилляра. На этот раз поверхность обычно сделана из золота, палладия или серебра, но сварка выполняется 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 вытаскивает небольшой отрезок проволоки и отрывает ее от поверхности с помощью набора зажимов. Остается небольшой хвостик проволоки, свисающий с конца капилляра. Затем цикл начинается снова с приложением электрического заряда высокого напряжения к этому хвосту.
Процесс, когда проволока разрезается сразу после образования шарика, также называется ударом шпильки. Выталкивание шпилек используется при укладке чипов в системе в модули пакета (SIP).
Современные современные машины (по состоянию на 2003 год) могут повторять этот цикл примерно 20 раз. в секунду. Современное устройство для склеивания шариков является полностью автоматическим и по сути представляет собой автономного промышленного робота, оснащенного системой технического зрения, датчиками и сложными сервосистемами.
Пьезоэлектрические преобразователи используются для обеспечения ультразвуковой энергии в процессе соединения шариков. Эти преобразователи известны как преобразователи с болтовым зажимом или преобразователи Ланжевена. Они состоят из металлических компонентов и пьезоэлектрических элементов, скрепленных болтом. Эти преобразователи работают на своей резонансной частоте боковых колебаний, чтобы ввести в капилляр боковое ультразвуковое возбуждение. Вдоль латерального направления преобразователя существуют узловые точки (большое смещение) и антиузловые точки (без смещения). Пьезоэлектрические элементы расширяются и сжимаются при возбуждении переменного напряжения (которое будет на резонансной частоте), тем самым вызывая резонансные колебания в конструкции. Обычно несколько элементов уложены друг на друга, чтобы увеличить электрическое поле для приложенного напряжения (напряжение создается пропорционально электрическому полю). Чтобы максимизировать передачу энергии от пьезоэлектрического элемента к конструкции, они размещаются в узлах, которые представляют собой области с высокой деформацией и высоким напряжением. В то же время, чтобы свести к минимуму потери энергии в окружающую среду, преобразователь удерживается в пучности (без смещения).
Типичный преобразователь с шариковой связкой. Этот преобразователь работает на своей третьей резонансной частоте (3 пучности и 4 узла) На переднем конце преобразователя используется конусообразный рупор для усиления вибрации. Для получения желаемого результата можно использовать различные конические профили, например, линейный или параболический конус. Конус рупора уменьшает площадь поперечного сечения, вызывая большую плотность ультразвуковой энергии, а затем приводит к большему смещению около кончика. По этой причине капилляр размещается рядом с наконечником. В капилляре возбуждаются изгибные моды высших порядков, что весьма неидеально. Чтобы смягчить этот эффект, положение зажима капилляра регулируется по пучности капилляра. В идеале капилляр должен быть коротким, но это невозможно, потому что соединение должно выполняться в труднодоступных местах.
Болт скрепляет всю конструкцию вместе, ввинчиваясь в рог (в зависимости от конфигурации). Для оптимизации производительности необходимо ввести правильную предварительную нагрузку. Пьезокерамика при растяжении непрочна; поэтому большая предварительная нагрузка гарантирует, что керамика будет работать в основном при сжатии из-за напряжения смещения.
