Soldadura por hilo: Aplicaciones modernas, tendencias tecnológicas y consideraciones de costo

Introducción

El wire bonding ha sido durante mucho tiempo el método dominante para conectar los dies de semiconductores con los marcos de conexión de los paquetes y las placas de circuito, particularmente en la tecnología Chip-on-Board (COB), donde el die se monta directamente sobre el PCB. El wire bonding para COB se popularizó en la electrónica de consumo, como calculadoras y dispositivos digitales tempranos debido a su fiabilidad y eficiencia de costos en la producción masiva.

Con el tiempo, el wire bonding COB evolucionó para satisfacer las demandas de miniaturización y mayor rendimiento, convirtiéndose en una tecnología crítica en aplicaciones como LEDs de potencia, sensores de imagen, electrónica de potencia y computación de alto rendimiento. Hoy en día, el wire bonding representa el 75-80% de las interconexiones de primer nivel en la industria de microelectrónica, proporcionando conexiones fiables en diseños compactos y de alto rendimiento.

Aplicaciones Modernas del Wire Bonding en Electrónica

El wire bonding se utiliza en una amplia gama de aplicaciones modernas, ofreciendo flexibilidad, fiabilidad y eficiencia de costos. Algunas de las áreas clave incluyen:

• Circuitos Integrados 3D (ICs): En los ICs 3D, donde múltiples obleas de semiconductores están apiladas verticalmente, el wire bonding es vital para conectar estas capas. A medida que los dispositivos se vuelven más compactos, la demanda de potencia de procesamiento de alta densidad ha crecido, haciendo que el wire bonding sea indispensable para manejar el pitch fino y el alto número de pines. Esta tecnología es crítica para la computación de alto rendimiento, dispositivos móviles avanzados y electrónica digital de alta densidad.

Die apilado 3D con wire bonds

• Electrónica de Potencia y Semiconductores de Banda Ancha: El wire bonding es esencial para el empaquetado de semiconductores de banda ancha como el carburo de silicio (SiC) y el nitruro de galio (GaN), que se utilizan en aplicaciones de alta potencia como vehículos eléctricos y sistemas de energía renovable. Estos semiconductores operan a altos voltajes y temperaturas, y a menudo se utiliza wire bonding de cobre de calibre pesado para manejar las cargas de corriente más altas y asegurar una gestión eficiente de la potencia.

Módulo de potencia con wire bonding (fuente de la imagen: Electronics Weekly, “Powering UP”, abril de 2022)

• Optoelectrónica y Sensores de Imagen: A medida que la resolución de los sensores de imagen aumenta, el número de conexiones requeridas aumenta dramáticamente, haciendo esencial el wire bonding fino. Estos diseños de alto rendimiento y alta densidad son cruciales para la electrónica de consumo avanzada, diagnósticos médicos y sistemas de seguridad.

Sensor de imagen CMOS COB con uniones de alambre [fuente de la imagen: Universidad de Alberta publicada en Sensors 2011]

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• LEDs Chip-on-Board (COB): La tecnología COB es ampliamente utilizada en diseños de LED, proporcionando una mayor densidad de lúmenes y una mejor gestión térmica. La unión por alambre permite arrays de LED compactos con una disipación de calor eficiente, lo que lleva a soluciones de iluminación más brillantes y duraderas en aplicaciones automotrices, industriales y de consumo.

Array de LED COB (fuente de la imagen: CREE)

Consideraciones de Costo en la Unión por Alambre

Aunque la unión por alambre ofrece ventajas significativas en términos de rendimiento y eficiencia espacial, el costo sigue siendo un factor importante, especialmente para la producción a gran escala. El costo de la unión por alambre está influenciado por varias variables, incluyendo el tipo de material utilizado, la complejidad de la aplicación y el volumen de producción.

• Costos de Materiales: El costo de los materiales para el bonding de alambres varía ampliamente. El bonding con alambre de oro es la opción más cara, con un precio alrededor de $349 por gramo para alambre de 0.8 mil. Sin embargo, el cobre y el aluminio ofrecen alternativas mucho más rentables, especialmente en aplicaciones donde la alta conductividad y durabilidad siguen siendo esenciales. Por ejemplo, el mismo diámetro de alambre de bonding de aluminio o cobre puede ser una fracción del costo comparado con el oro, haciéndolos opciones ideales para la producción en gran volumen.
• Costos de Fabricación: Las máquinas de bonding de alambres varían en costo dependiendo de su nivel de automatización. Las máquinas manuales o semi-automatizadas pueden costar decenas de miles de dólares y son adecuadas para producción a menor escala o prototipos, mientras que las máquinas completamente automatizadas pueden costar cientos de miles de dólares y son esenciales para la producción a gran escala. Para tiradas de producción de bajo volumen o no recurrentes, a menudo es más rentable subcontratar el proceso de bonding de alambres a un fabricante externo. Estos proveedores de servicios pueden ofrecer soluciones más asequibles sin la necesidad de que las empresas inviertan en equipos de bonding de alambres costosos.
• Volumen de Producción y Costos de Herramientas: El wire bonding se vuelve más rentable con volúmenes de producción mayores. Aunque los costos iniciales de las herramientas para configuraciones de wire bonding son fijos, el costo por unidad disminuye a medida que la producción se escala. En producciones de alto volumen—como cientos de miles a millones de unidades por año—los diseños COB pueden ser más rentables que usar chips empaquetados estándar. Esto se debe a que COB elimina la necesidad de empaquetado de die, reduciendo los costos de ensamblaje y permitiendo diseños más compactos con menos componentes.
• Ejemplo de Desglose de Costos: Para un diseño COB básico con un die de 1770 um x 1258 um y 21 conexiones de alambre, los costos pueden variar significativamente dependiendo del nivel de automatización y volumen de producción. Aquí hay un desglose de ejemplo para un pequeño lote de 100 unidades:
  • Cargo por servicio de wire bonding y herramientas: $500 (fijo);
  • Proceso de wire bonding (conexiones de cuña de aluminio): $360;
  • Costo del die desnudo: $115 por unidad;
  • PCB con acabado superficial ENEPIG (50x50mm): $590;
  • Empaque y envío: $50.
  Costos totales para una producción de 100 unidades: $1,615. Para volúmenes de producción más altos, estos costos disminuyen significativamente, haciendo que los diseños COB sean una opción más asequible para la fabricación a gran escala.

Die con 21 pines para análisis de costos

Diseño COB con unión por alambre en Altium Designer

Conclusión

La unión por alambre sigue siendo una tecnología crucial en la electrónica moderna, ofreciendo flexibilidad y eficiencia de costos en una variedad de aplicaciones, incluyendo ICs 3D, electrónica de potencia y LEDs COB. Aunque los costos de materiales y fabricación pueden variar, especialmente para la producción en volumen alto, las ventajas de costos de la unión por alambre se hacen evidentes a medida que la producción escala. A medida que la tecnología continúa evolucionando, la unión por alambre seguirá siendo esencial para conectar la próxima generación de dispositivos electrónicos de alto rendimiento.

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