Collegamento con fili: Applicazioni moderne, tendenze tecnologiche e considerazioni sui costi

Introduzione

Il wire bonding è da tempo il metodo dominante per collegare i die dei semiconduttori ai lead frame dei pacchetti e ai circuiti stampati, in particolare nella tecnologia Chip-on-Board (COB), dove il die è montato direttamente sul PCB. Il wire bonding per COB è diventato popolare nell'elettronica di consumo, come calcolatrici e primi dispositivi digitali, grazie alla sua affidabilità e all'efficienza dei costi nella produzione di massa.

Col tempo, il wire bonding COB si è evoluto per soddisfare le esigenze di miniaturizzazione e di prestazioni superiori, diventando una tecnologia critica in applicazioni come i LED di potenza, i sensori di immagine, l'elettronica di potenza e il computing ad alte prestazioni. Oggi, il wire bonding rappresenta il 75-80% delle interconnessioni di primo livello nell'industria della microelettronica, fornendo connessioni affidabili in design compatti e ad alte prestazioni.

Applicazioni moderne del Wire Bonding nell'elettronica

Il wire bonding è utilizzato in una vasta gamma di applicazioni moderne, offrendo flessibilità, affidabilità ed efficienza dei costi. Alcune delle aree chiave includono:

• Circuiti Integrati 3D (IC): Nei circuiti integrati 3D, dove più die semiconduttori sono impilati verticalmente, il wire bonding è fondamentale per connettere questi strati. Man mano che i dispositivi diventano più compatti, la domanda di potenza di elaborazione ad alta densità è cresciuta, rendendo il wire bonding indispensabile nella gestione di pitch raffinati e conteggi elevati di pin. Questa tecnologia è critica per il computing ad alte prestazioni, dispositivi mobili avanzati ed elettronica digitale ad alta densità.

Die impilati 3D con wire bonds

• Elettronica di Potenza e Semiconduttori a Banda Larga: Il wire bonding è essenziale per l'incapsulamento di semiconduttori a banda larga come il carburo di silicio (SiC) e il nitruro di gallio (GaN), che sono utilizzati in applicazioni ad alta potenza come veicoli elettrici e sistemi di energia rinnovabile. Questi semiconduttori operano ad alte tensioni e temperature, e spesso si utilizza il wire bonding con filo di rame di grosso calibro per gestire i carichi di corrente più elevati e garantire una gestione efficiente della potenza.

Modulo di potenza con wire bonding (fonte immagine: Electronics Weekly, “Powering UP”, aprile 2022)

• Optoelettronica e Sensori d'Immagine: Man mano che la risoluzione dei sensori d'immagine aumenta, il numero di connessioni richieste cresce in modo drammatico, rendendo il wire bonding fine essenziale. Questi design ad alte prestazioni e ad alta densità sono cruciali per l'elettronica di consumo avanzata, la diagnostica medica e i sistemi di sicurezza.

Sensore d'immagine CMOS COB con collegamenti a filo [fonte immagine: Università dell'Alberta pubblicata in Sensors 2011]

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• LED Chip-on-Board (COB): La tecnologia COB è ampiamente utilizzata nei progetti LED, offrendo una maggiore densità di lumen e una gestione termica migliorata. Il collegamento a filo consente di realizzare array di LED compatti con una dissipazione del calore efficiente, portando a soluzioni di illuminazione più luminose e durature in applicazioni automotive, industriali e consumer.

Array di LED COB (fonte immagine: CREE)

Considerazioni sui costi nel collegamento a filo

Sebbene il collegamento a filo offra vantaggi significativi in termini di prestazioni ed efficienza spaziale, il costo rimane un fattore importante, specialmente per la produzione su larga scala. Il costo del collegamento a filo è influenzato da diverse variabili, tra cui il tipo di materiale utilizzato, la complessità dell'applicazione e il volume di produzione.

• Costi dei Materiali: Il costo dei materiali per il wire bonding varia notevolmente. Il wire bonding in oro è l'opzione più costosa, con un prezzo di circa $349 per grammo per un filo di 0,8 mil. Tuttavia, il rame e l'alluminio offrono alternative molto più economiche, specialmente in applicazioni dove sono ancora essenziali un'elevata conducibilità e durabilità. Ad esempio, lo stesso diametro di filo di bonding in alluminio o rame può costare una frazione del prezzo rispetto all'oro, rendendoli scelte ideali per la produzione di massa.
• Costi di Produzione: I costi delle macchine per il wire bonding variano a seconda del loro livello di automazione. Le macchine manuali o semi-automatiche possono costare decine di migliaia di dollari e sono adatte per la produzione su piccola scala o per prototipi, mentre le macchine completamente automatizzate possono costare centinaia di migliaia di dollari ed sono essenziali per la produzione su larga scala. Per lotti di produzione di basso volume o non ricorrenti, spesso è più conveniente esternalizzare il processo di wire bonding a un produttore esterno. Questi fornitori di servizi possono offrire soluzioni più accessibili senza che le aziende debbano investire in costose attrezzature per il wire bonding.
• Volume di Produzione e Costi degli Strumenti: Il wire bonding diventa più conveniente in termini di costi con volumi di produzione maggiori. Sebbene i costi iniziali degli strumenti per le configurazioni di wire bonding siano fissi, il costo per unità diminuisce all'aumentare della produzione. Nella produzione di alto volume—come centinaia di migliaia fino a milioni di unità all'anno—i design COB possono essere più economici rispetto all'uso di chip confezionati standard. Questo perché il COB elimina la necessità del confezionamento dei die, riducendo i costi di assemblaggio e consentendo design più compatti con meno componenti.
• Esempio di Ripartizione dei Costi: Per un design COB di base con un die di 1770 um x 1258 um e 21 wire bonds, i costi possono variare significativamente a seconda del livello di automazione e del volume di produzione. Ecco un esempio di ripartizione per un piccolo lotto di 100 unità:
  • Costo del servizio di wire bonding e carica degli strumenti: $500 (fisso);
  • Processo di wire bonding (legature in cuneo di alluminio): $360;
  • Costo del die nudo: $115 per unità;
  • PCB con finitura superficiale ENEPIG (50x50mm): $590;
  • Imballaggio e spedizione: $50.
  Costi totali per una produzione di 100 unità: $1,615. Per volumi di produzione più elevati, questi costi diminuiscono significativamente, rendendo i progetti COB una scelta più conveniente per la produzione su larga scala.

Die con 21 pin per l'analisi dei costi

Progettazione COB con wire bonding in Altium Designer

Conclusione

Il wire bonding rimane una tecnologia cruciale nell'elettronica moderna, offrendo flessibilità ed efficienza dei costi in una varietà di applicazioni, inclusi i 3D IC, l'elettronica di potenza e i COB LED. Sebbene i costi dei materiali e di produzione possano variare, specialmente per la produzione ad alto volume, i vantaggi in termini di costi del wire bonding diventano evidenti con l'aumentare della scala di produzione. Man mano che la tecnologia continua a evolversi, il wire bonding rimarrà essenziale per collegare la prossima generazione di dispositivi elettronici ad alte prestazioni.

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