Soudure par fils : Applications modernes, tendances technologiques et considérations de coût

Introduction

Le wire bonding est depuis longtemps la méthode dominante pour connecter les puces semi-conductrices aux cadres de connexion des boîtiers et aux cartes de circuits imprimés, en particulier dans la technologie Chip-on-Board (COB), où la puce est directement montée sur le PCB. Le wire bonding pour COB est devenu populaire dans l'électronique grand public, comme les calculatrices et les premiers dispositifs numériques en raison de sa fiabilité et de son efficacité en termes de coûts dans la production de masse.

Au fil du temps, le wire bonding COB a évolué pour répondre aux exigences de miniaturisation et de performances supérieures, devenant une technologie cruciale dans des applications telles que les LED de puissance, les capteurs d'image, l'électronique de puissance et l'informatique haute performance. Aujourd'hui, le wire bonding représente 75-80% des interconnexions de premier niveau dans l'industrie de la microélectronique, offrant des connexions fiables dans des conceptions compactes et haute performance.

Applications modernes du Wire Bonding dans l'électronique

Le wire bonding est utilisé dans un large éventail d'applications modernes, offrant flexibilité, fiabilité et efficacité en termes de coûts. Parmi les domaines clés, on trouve :

• Circuits Intégrés 3D (CI) : Dans les CI 3D, où plusieurs puces semi-conductrices sont empilées verticalement, le wire bonding est vital pour connecter ces couches. À mesure que les dispositifs deviennent plus compacts, la demande en puissance de traitement haute densité a augmenté, rendant le wire bonding indispensable pour gérer les pas fins et les nombres élevés de broches. Cette technologie est cruciale pour l'informatique haute performance, les dispositifs mobiles avancés et l'électronique numérique haute densité.

Empilement de puces 3D avec wire bonds

• Électronique de puissance et semi-conducteurs à large bande interdite : Le wire bonding est essentiel pour l'encapsulation de semi-conducteurs à large bande interdite tels que le carbure de silicium (SiC) et le nitrure de gallium (GaN), qui sont utilisés dans des applications de haute puissance comme les véhicules électriques et les systèmes d'énergie renouvelable. Ces semi-conducteurs fonctionnent à des tensions et des températures élevées, et le wire bonding avec du fil de cuivre de gros calibre est souvent utilisé pour gérer les charges de courant plus élevées et assurer une gestion efficace de la puissance.

Module de puissance avec wire bonding (source de l'image : Electronics Weekly, “Powering UP”, avril 2022)

• Optoélectronique et capteurs d'image : À mesure que la résolution des capteurs d'image augmente, le nombre de connexions nécessaires augmente de manière spectaculaire, rendant le wire bonding fin essentiel. Ces conceptions haute performance et haute densité sont cruciales pour les appareils électroniques grand public avancés, le diagnostic médical et les systèmes de sécurité.

Capteur d'image CMOS COB avec connexions par fils [source de l'image : Université de l'Alberta publiée dans Sensors 2011]

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• LEDs Chip-on-Board (COB) : La technologie COB est largement utilisée dans les conceptions de LED, offrant une densité de lumens plus élevée et une meilleure gestion thermique. Le wire bonding permet de créer des réseaux de LED compacts avec une dissipation efficace de la chaleur, conduisant à des solutions d'éclairage plus brillantes et plus durables dans les applications automobiles, industrielles et grand public.

Réseau de LED COB (source de l'image : CREE)

Considérations de coût dans le Wire Bonding

Bien que le wire bonding offre des avantages significatifs en termes de performance et d'efficacité spatiale, le coût reste un facteur important, surtout pour la production à grande échelle. Le coût du wire bonding est influencé par plusieurs variables, y compris le type de matériel utilisé, la complexité de l'application et le volume de production.

• Coûts des Matériaux : Le coût des matériaux pour le wire bonding varie considérablement. Le wire bonding en or est l'option la plus chère, avec un prix d'environ 349 dollars par gramme pour un fil de 0,8 mil. Cependant, le cuivre et l'aluminium offrent des alternatives beaucoup plus économiques, surtout dans les applications où une haute conductivité et durabilité sont toujours essentielles. Par exemple, le même diamètre de fil de bonding en aluminium ou en cuivre peut coûter une fraction du prix comparé à l'or, les rendant des choix idéaux pour la production de grande volume.
• Coûts de Fabrication : Les machines de wire bonding varient en coût selon leur niveau d'automatisation. Les machines manuelles ou semi-automatisées peuvent coûter des dizaines de milliers de dollars et conviennent pour une production à petite échelle ou de prototype, tandis que les machines entièrement automatisées peuvent coûter des centaines de milliers de dollars et sont essentielles pour la production à grande échelle. Pour les productions de faible volume ou non récurrentes, il est souvent plus rentable de sous-traiter le processus de wire bonding à un fabricant externe. Ces prestataires de services peuvent offrir des solutions plus abordables sans que les entreprises aient besoin d'investir dans des équipements de wire bonding coûteux.
• Volume de production et coûts d'outillage : Le wire bonding devient plus rentable avec des volumes de production plus importants. Bien que les coûts initiaux d'outillage pour les configurations de wire bonding soient fixes, le coût par unité diminue à mesure que la production augmente. Dans une production de grande volume—comme des centaines de milliers à des millions d'unités par an—les conceptions COB peuvent être plus rentables que l'utilisation de puces emballées standard. Cela est dû au fait que le COB élimine le besoin d'emballage de die, réduisant les coûts d'assemblage et permettant des conceptions plus compactes avec moins de composants.
• Exemple de décomposition des coûts : Pour une conception COB basique avec un die de 1770 um x 1258 um et 21 liaisons filaires, les coûts peuvent varier considérablement en fonction du niveau d'automatisation et du volume de production. Voici un exemple de décomposition pour un petit lot de 100 unités :
  • Service de wire bonding et charge d'outillage : 500 $ (fixe) ;
  • Processus de wire bonding (liaisons en coin en aluminium) : 360 $ ;
  • Coût du die nu : 115 $ par unité ;
  • PCB avec finition de surface ENEPIG (50x50mm) : 590 $ ;
  • Emballage et expédition : 50 $.
  Coûts totaux pour une production de 100 unités : 1 615 $. Pour des volumes de production plus élevés, ces coûts diminuent significativement, rendant les conceptions COB un choix plus abordable pour la fabrication à grande échelle.

Die avec 21 broches pour l'analyse des coûts

Conception COB avec connexion par fils dans Altium Designer

Conclusion

La connexion par fils reste une technologie cruciale dans l'électronique moderne, offrant flexibilité et rentabilité dans une variété d'applications, y compris les circuits intégrés 3D, l'électronique de puissance et les LED COB. Bien que les coûts des matériaux et de fabrication puissent varier, surtout pour la production en grande quantité, les avantages en termes de coûts de la connexion par fils deviennent évidents à mesure que la production augmente. À mesure que la technologie continue d'évoluer, la connexion par fils restera essentielle pour connecter la prochaine génération de dispositifs électroniques haute performance.

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