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CONEXÃO DE FIOS

FICHA INFORMATIVA DA BASE DE CONHECIMENTO

O que é ligação por fio?

A ligação por fio é o método pelo qual um fio de metal macio de pequeno diâmetro é fixado a uma superfície metálica compatível sem o uso de solda, fluxo e, em alguns casos, com o uso de calor acima de 150 graus Celsius. Metais macios incluem ouro (Au), cobre (Cu), prata (Ag), alumínio (Al) e ligas como paládio-prata (PdAg) e outras.

Entendendo as técnicas e os processos de ligação por fio para aplicações de montagem de microeletrônica.
Técnicas/Processos de Colagem por Cunha: Colagem por Fita, Colagem por Esfera Termossônica e Colagem por Cunha Ultrassônica
A ligação por fio é o método de interconexão entre um circuito integrado (CI) ou dispositivo semicondutor similar e seu encapsulamento ou estrutura de ligação durante a fabricação. Também é comumente usada para fornecer conexões elétricas em conjuntos de baterias de íon-lítio. A ligação por fio é geralmente considerada a tecnologia de interconexão microeletrônica mais econômica e flexível disponível e é usada na maioria dos encapsulamentos de semicondutores produzidos atualmente. Existem diversas técnicas de ligação por fio, incluindo: Ligação por Fio por Termocompressão:
A soldagem por termocompressão (união de duas superfícies semelhantes (geralmente de ouro) sob uma força de compressão com altas temperaturas de interface, tipicamente superiores a 300 °C, para produzir uma solda) foi inicialmente desenvolvida na década de 1950 para interconexões em microeletrônica. No entanto, foi rapidamente substituída pela soldagem ultrassônica e termossônica na década de 1960 como a tecnologia de interconexão dominante. A soldagem por termocompressão ainda é usada para aplicações específicas hoje em dia, mas geralmente é evitada pelos fabricantes devido às altas temperaturas de interface (frequentemente danosas) necessárias para uma soldagem bem-sucedida. Soldagem por fio em cunha ultrassônica:
Na década de 1960, a soldagem ultrassônica por cunha tornou-se a metodologia dominante de interconexão. A aplicação de uma vibração de alta frequência (através de um transdutor ressonante) à ferramenta de soldagem, com uma força de fixação simultânea, permitiu a soldagem de fios de alumínio e ouro à temperatura ambiente. Essa vibração ultrassônica auxilia na remoção de contaminantes (óxidos, impurezas, etc.) das superfícies de soldagem no início do ciclo de soldagem e na promoção do crescimento intermetálico para desenvolver e fortalecer ainda mais a ligação. As frequências típicas para soldagem são de 60 a 120 kHz. A técnica de cunha ultrassônica possui duas principais tecnologias de processo: Soldagem de fios grossos (com diâmetro >100 µm) Soldagem de fios finos (com diâmetro <75 µm) Exemplos de ciclos típicos de soldagem ultrassônica podem ser encontrados aqui para fios finos e aqui para fios grossos. A soldagem de fios por cunha ultrassônica utiliza uma ferramenta de soldagem específica, geralmente construída em carboneto de tungstênio (para fios de alumínio) ou carboneto de titânio (para fios de ouro), dependendo dos requisitos do processo e dos diâmetros dos fios; cunhas com ponta de cerâmica para aplicações específicas também estão disponíveis. Soldagem de fios por termossônica:
Quando é necessário aquecimento suplementar (tipicamente para fios de ouro, com interfaces de ligação na faixa de 100 a 250 °C), o processo é chamado de ligação de fios por termossônica. Isso apresenta grandes vantagens em relação ao sistema tradicional de termocompressão, pois requer temperaturas de interface muito mais baixas (a ligação de ouro à temperatura ambiente já foi mencionada, mas na prática é pouco confiável sem aquecimento adicional). Ligação de esferas por termossônica:
Outra forma de ligação de fios termossônica é a ligação por esfera (veja o ciclo de ligação por esfera aqui). Essa metodologia utiliza uma ferramenta de ligação capilar de cerâmica em vez dos designs tradicionais de cunha para combinar as melhores qualidades da ligação por termocompressão e ultrassônica, sem as desvantagens. A vibração termossônica garante que a temperatura da interface permaneça baixa, enquanto a primeira interconexão, a ligação por esfera termicamente comprimida, permite que o fio e a ligação secundária sejam colocados em qualquer direção, não alinhados com a primeira ligação, o que é uma limitação na ligação de fios ultrassônica. Para fabricação automatizada em alto volume, as máquinas de ligação por esfera são consideravelmente mais rápidas do que as máquinas de ligação ultrassônica/termossônica (por cunha), tornando a ligação por esfera termossônica a tecnologia de interconexão dominante na microeletrônica nos últimos 50 anos ou mais. Ligação por fita:
A colagem por fita, utilizando fitas metálicas planas, tem sido dominante na eletrônica de RF e micro-ondas por décadas (a fita proporciona uma melhoria significativa na perda de sinal [efeito pelicular] em comparação com o fio redondo tradicional). Pequenas fitas de ouro, tipicamente com até 75 µm de largura e 25 µm de espessura, são coladas por meio de um processo termossônico com uma ferramenta de colagem em cunha de face plana. Fitas de alumínio com até 2.000 µm de largura e 250 µm de espessura também podem ser coladas com um processo de cunha ultrassônica, à medida que a necessidade de interconexões de alta densidade e com menor loop aumentou.

O que é fio de ouro para ligação?

A ligação de fios de ouro é o processo pelo qual um fio de ouro é fixado a dois pontos em uma montagem para formar uma interconexão ou um caminho eletricamente condutor. Calor, ultrassom e força são empregados para formar os pontos de fixação do fio de ouro. O processo de criação do ponto de fixação começa com a formação de uma esfera de ouro na ponta da ferramenta de ligação de fios, o capilar. Essa esfera é pressionada sobre a superfície aquecida da montagem enquanto se aplica uma quantidade específica de força e uma frequência de ultrassom de 60 kHz a 152 kHz com a ferramenta. Uma vez feita a primeira ligação, o fio é manipulado de maneira rigorosamente controlada para formar o formato de laço apropriado para a geometria da montagem. A segunda ligação, frequentemente chamada de costura, é então formada na outra superfície pressionando o fio e usando uma pinça para romper o fio na ligação.

A ligação por fio de ouro oferece um método de interconexão em componentes que apresenta alta condutividade elétrica, quase dez vezes maior do que algumas soldas. Além disso, os fios de ouro possuem alta tolerância à oxidação em comparação com outros materiais e são mais macios do que a maioria, o que é essencial para superfícies sensíveis.
O processo também pode variar de acordo com as necessidades da montagem. Com materiais sensíveis, uma esfera de ouro pode ser colocada na segunda área de ligação para criar uma ligação mais forte e, ao mesmo tempo, uma ligação mais "suave" para evitar danos à superfície do componente. Em espaços reduzidos, uma única esfera pode ser usada como ponto de partida para duas ligações, formando uma ligação em "V". Quando uma ligação por fio precisa ser mais robusta, uma esfera pode ser colocada sobre um ponto de solda para formar uma ligação de segurança, aumentando a estabilidade e a resistência do fio. As diversas aplicações e variações da ligação por fio são praticamente ilimitadas e podem ser alcançadas por meio do software automatizado dos sistemas de ligação por fio da Palomar.