Wire bonding, la interfaz electrónica de lo micro a lo macro

Autor: Erick Ulin

En el cuarto limpio de CIDESI Querétaro, contamos con un equipo wire bonder “iBond5000 Dual bond model” de la compañia Kulicke&Soffa con el que realizamos los procesos de hilado de los dispositivos base semiconductores con su empaquetado. Este proceso lo utilizamos principalmente para verificar la funcionalidad de nuestros dispositivos N-MOS.

Si estas interesado en hacer uso de las instalaciones del cuarto limpio de CIDESI Querétaro, no dudes en contactarnos… Puedes visitar el siguiente link para más información.

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La técnica de wire bonding o unión de hilos es la más utilizada para hacer interconexiones entre circuitos integrados (IC), dispositivos base semiconductores y su empaquetado durante la fabricación de dispositivos microelectrónicos. Con está técnica también es posible interconectar tarjetas de circuitos impreso. (PCB por sus siglas en inglés). La técnica de wire bonding es considerada la tecnología más efectiva por su flexibilidad y costo-beneficio para ensamblar una vasta mayoría de dispositivos base semiconductores. Además de que puede ser usado con frecuencias arriba de los 100 GHz. 

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Los cables o hilos utilizados en estos equipos, están hechos de materiales como Aluminio, Cobre, Plata y Oro. Los diámetros de los hilos van desde los 10 micrómetros hasta cientos de micrómetros para aplicaciones de electrónica de alta potencia. De los materiales anteriores, los hilos de cobre se han convertido en los preferidos para interconexiones eléctricas en muchas de las aplicaciones de semiconductores y microelectrónica, lo anterior es debido a que el costo de los hilos de Cobre es mucho más económicos en comparación con los hilos de Oro.

En el proceso de wire bonding, existen tres principios físicos de operación: termosónico, termocompresión y ultrasónico.

El equipo con el que contamos en el cuarto limpio de CIDESI Querétaro, realiza los procesos de unión o hilado termosónico y ultrasónico, mediante la técnica de unión con bola (ball bonding) y con cuña (wedge bonding), esto lo obtenemos con una simple adaptación con la que cuenta el equipo. A continuación te contamos más de los principios de operación de estos procesos.

Hilado termosónico, esta técnica es implementada usando calor, fuerza y energía ultrasónica para unir un hilo de Oro a un sustrato con superficie de Oro o Aluminio. En esta técnica, el calor es aplicado al poner el sustrato en un sujetador caliente. Algunos sistemas calientan la punta, lo que mejora el funcionamiento de la unión, después, una fuerza es aplicada al ejercer presión en el cable cuando está en contacto con la superficie de unión. La energía ultrasónica es entregada al vibrar la punta cuando el cable está en contacto con la superficie.

El hilado ultrasónico se realiza en condiciones de temperatura ambiente y se implementa con una combinación de fuerza y energía ultrasónica. La presión utilizada y el tiempo de unión en las técnicas de unión ultrasónica y termosónica son mucho menores y más cortos que los requeridos con hilado por termocompresión. Aunque los cables de Oro pueden ser usados para unirse a superficies de oro en unión ultrasónica, esta es usada primariamente para unir hilos de Aluminio en substratos de Oro o Aluminio, siendo la técnica dominante en electrónica de potencia cuando se implementan hilos de aluminio de largo diámetro.

Hilado por termocompresión es implementado usando una combinación de calor y fuerza para deformar el hilo y hacer las uniones o conexiones. Los parámetros importantes con esta tecnología son el tiempo, temperatura y fuerza de unión. En esta técnica, se requiere de una alta temperatura (superior a 300°C) y un tiempo largo de espera para hacer las uniones. Tenemos que considerar que estas altas temperatura puede dañar circuitos integrados sensitivos y que el proceso es sensible a contaminantes en la superficie de unión.

Como lo mencionamos anteriormente, hay dos modalidades de unión de hilado que se pueden utilizar en este proceso. Para ball bonding, se restringe a utilizar cables de Oro y Cobre, usualmente la cantidad de calor está limitada a utilizar hilos con diámetros pequeños, aproximadamente 10 micrometros. Para wedge bonding, se utilizan hilos con diámetros mayores en aplicaciones de electrónica de alta potencia. Con estas técnicas, ball y wedge bonding, el hilo es pegado de los dos extremos usando una combinación de presión, energía ultrasónica y en su caso calor para hacer la conexión. El calor es usado para hacer el metal más suave. La correcta combinación de temperatura y energía ultrasónica es empleada para maximizar la fiabilidad y resistencia mecánica de la conexión. Cuando usamos la técnica wedge bonding, el hilo es estirado de acuerdo al primer pegado. Esto aumenta el tiempo de espera del proceso debido a la alineación del equipo. En ball bonding, no se necesita de alineación, ya que el pegado inicial no tiene dirección de preferencia, así que el hilo se puede estirar en cualquier dirección.

Finalmente, en la Dirección de Microtecnologías de CIDESI Querétaro estamos interesados en que la infraestructura con la que contamos sea útil en el desarrollo de proyectos tanto de interés científico como de prestación de servicios a la comunidad en general.

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