Шариковое соединение (ball bond) — это основной тип электрического и механического контакта, формируемый методом термокомпрессионной сварки с ультразвуковым воздействием (термозвуковая сварка, thermosonic bonding). Данная технология служит для соединения выводов микросхемы (bond wire) с контактными площадками (bond pad) подложки или выводной рамки и является стандартной операцией в процессе корпусирования (packaging) интегральных схем.
Технология формирования
Процесс создания шарикового соединения состоит из нескольких этапов. Сначала конец проволочного вывода (wire), изготовленного из золота или меди, оплавляется электрической дугой (электроискровым разрядом, Electronic Flame-Off, EFO) в среде инертного газа для формирования сферического каплевидного окончания — свободного шарика (free air ball). Затем этот шарик с помощью специального инструмента, капилляра (capillary), позиционируется на контактной площадке, нагретой до температуры 150–250 °C. Под воздействием приложенного давления (bonding force) и ультразвуковых колебаний (ultrasonic energy) происходит пластическая деформация шарика, разрушение оксидных слоёв и образование надёжного сварного соединения за счёт межкристаллитной диффузии. После создания первого шарикового соединения инструмент перемещается к следующей точке контакта, формируя проволочную петлю (wire loop) и второе соединение, часто по методу клиновой сварки (wedge bond).
Материалы и параметры
Наиболее распространёнными материалами проволоки являются золото и медь. Золотая проволока диаметром 18–33 мкм обладает отличной коррозионной стойкостью и технологичностью. Медная проволока диаметром 20–50 мкм, активно внедряемая с начала 2000-х годов, значительно дешевле, но требует строгого контроля атмосферы для предотвращения окисления. Для улучшения свойств медная проволока может иметь покрытие из палладия (palladium-coated copper wire). Ключевыми контролируемыми параметрами процесса являются усилие сжатия, температура подложки (substrate temperature), мощность, время и амплитуда ультразвуковых колебаний.
Область применения и стандартизация
Шариковые соединения повсеместно применяются при монтаже кристаллов (die attach) в широком спектре корпусов: от классических DIP и QFP до современных BGA и CSP. Качество соединений регламентируется международными стандартами, такими как JEDEC JESD22-A114 (испытания на чувствительность к электростатическому разряду) и IPC-7095 (рекомендации по проектированию и сборке компонентов с шариковыми выводами, BGA).
Источники: Стандарты JEDEC JESD22-A114, IPC-7095, учебники по технологии сборки полупроводниковых приборов.