Połączenia drutowe: Współczesne zastosowania, trendy technologiczne i rozważania kosztowe

Wprowadzenie

Wire bonding od dawna jest dominującą metodą łączenia półprzewodnikowych układów scalonych z ramkami wyprowadzeń obudów i płytkami obwodów drukowanych, szczególnie w technologii Chip-on-Board (COB), gdzie układ scalony jest montowany bezpośrednio na płytce PCB. Wire bonding dla COB stał się popularny w elektronice użytkowej, takiej jak kalkulatory i wczesne urządzenia cyfrowe, ze względu na jego niezawodność i efektywność kosztową w produkcji masowej.

Z biegiem czasu, wire bonding COB ewoluował, aby sprostać wymaganiom miniaturyzacji i wyższej wydajności, stając się kluczową technologią w aplikacjach takich jak diody LED o wysokiej mocy, sensory obrazu, elektronika mocy i obliczenia o wysokiej wydajności. Dzisiaj, wire bonding odpowiada za 75-80% pierwszopoziomowych połączeń w przemyśle mikroelektroniki, zapewniając niezawodne połączenia w kompaktowych, wysokowydajnych projektach.

Współczesne zastosowania wire bonding w elektronice

Wire bonding jest używany w szerokim zakresie współczesnych aplikacji, oferując elastyczność, niezawodność i efektywność kosztową. Niektóre z kluczowych obszarów to:

• Układy scalone 3D (IC): W układach scalonych 3D, gdzie wiele krzemowych kostek jest układanych pionowo, połączenie drutowe jest kluczowe dla łączenia tych warstw. W miarę jak urządzenia stają się bardziej kompaktowe, rośnie zapotrzebowanie na wysoką moc przetwarzania, co czyni połączenie drutowe niezbędnym w zarządzaniu małymi odstępami i dużą liczbą pinów. Ta technologia jest krytyczna dla wysokowydajnych obliczeń, zaawansowanych urządzeń mobilnych i elektroniki cyfrowej o wysokiej gęstości.

Układ 3D z połączeniami drutowymi

• Elektronika mocy i półprzewodniki o szerokiej przerwie energetycznej: Połączenie drutowe jest niezbędne do pakowania półprzewodników o szerokiej przerwie energetycznej, takich jak węglik krzemu (SiC) i azotek galu (GaN), które są używane w aplikacjach wysokiej mocy, takich jak pojazdy elektryczne i systemy energii odnawialnej. Te półprzewodniki pracują przy wysokich napięciach i temperaturach, a często używa się grubych drutów miedzianych do obsługi wyższych obciążeń prądowych i zapewnienia efektywnego zarządzania mocą.

Moduł z połączeniami drutowymi (źródło obrazu: Electronics Weekly, „Powering UP”, kwiecień 2022)

• Optoelektronika i czujniki obrazu: Wraz ze wzrostem rozdzielczości czujników obrazu dramatycznie rośnie liczba wymaganych połączeń, co czyni cienkie połączenie drutowe niezbędnym. Te wysokowydajne, wysokogęstościowe projekty są kluczowe dla zaawansowanej elektroniki użytkowej, diagnostyki medycznej i systemów bezpieczeństwa.

Czujnik obrazu CMOS COB z połączeniami drutowymi [źródło obrazu: Uniwersytet Alberty w publikacji Sensors 2011]

• Diodowe moduły COB (Chip-on-Board): Technologia COB jest szeroko stosowana w projektach LED, zapewniając wyższą gęstość lumenów i lepsze zarządzanie ciepłem. Połączenia drutowe umożliwiają kompaktowe układy LED z efektywnym rozpraszaniem ciepła, co prowadzi do jaśniejszych, trwalszych rozwiązań oświetleniowych w aplikacjach motoryzacyjnych, przemysłowych i konsumenckich.

Tablica LED COB (źródło obrazu: CREE)

Rozważania kosztowe w połączeniach drutowych

Chociaż połączenia drutowe oferują znaczące zalety pod względem wydajności i efektywności przestrzennej, koszt pozostaje ważnym czynnikiem, szczególnie przy produkcji na dużą skalę. Koszt połączeń drutowych jest zależny od kilku zmiennych, w tym od rodzaju użytego materiału, złożoności aplikacji oraz wielkości produkcji.

• Koszty materiałów: Koszt materiałów do wiązania drutem jest bardzo zróżnicowany. Wiązanie drutem ze złota jest najdroższą opcją, z ceną około 349 dolarów za gram dla drutu o grubości 0.8 mila. Jednak miedź i aluminium oferują znacznie bardziej opłacalne alternatywy, szczególnie w aplikacjach, gdzie nadal kluczowe są wysoka przewodność i trwałość. Na przykład, drut wiążący o tej samej średnicy z aluminium lub miedzi może kosztować tylko ułamek ceny w porównaniu do złota, co czyni je idealnymi wyborami dla produkcji na dużą skalę.
• Koszty produkcji: Maszyny do wiązania drutem różnią się ceną w zależności od poziomu automatyzacji. Maszyny manualne lub półautomatyczne mogą kosztować dziesiątki tysięcy dolarów i są odpowiednie dla produkcji na mniejszą skalę lub prototypów, podczas gdy w pełni automatyczne maszyny mogą kosztować setki tysięcy dolarów i są niezbędne dla produkcji na dużą skalę. Dla produkcji o niskim wolumenie lub niepowtarzalnej często bardziej opłacalne jest zlecenie procesu wiązania drutem zewnętrznemu producentowi. Ci dostawcy usług mogą zaoferować bardziej przystępne rozwiązania bez konieczności inwestowania przez firmy w drogie sprzęty do wiązania drutem.
• Wolumen Produkcji i Koszty Narzędzi: Połączenia drutowe stają się bardziej opłacalne przy większych wolumenach produkcji. Chociaż początkowe koszty narzędzi dla konfiguracji połączeń drutowych są stałe, koszt jednostkowy maleje wraz ze skalą produkcji. W produkcji o wysokim wolumenie - takiej jak setki tysięcy do milionów jednostek rocznie - projekty COB mogą być bardziej opłacalne niż używanie standardowych układów w obudowach. Wynika to z faktu, że COB eliminuje potrzebę pakowania die, redukując koszty montażu i umożliwiając bardziej kompaktowe projekty z mniejszą liczbą komponentów.
• Przykładowy Rozkład Kosztów: Dla podstawowego projektu COB z układem o wymiarach 1770 um x 1258 um i 21 połączeniach drutowych, koszty mogą znacznie różnić się w zależności od poziomu automatyzacji i wolumenu produkcji. Oto przykładowy rozkład dla małej partii 100 jednostek:
  • Usługa i opłata za narzędzia do połączeń drutowych: 500$ (stała);
  • Proces połączeń drutowych (połączenia klinowe z aluminium): 360$;
  • Koszt gołego układu: 115$ za jednostkę;
  • PCB z powierzchnią ENEPIG (50x50mm): 590$;
  • Opakowanie i wysyłka: 50$.
  Całkowite koszty produkcji 100 sztuk: 1615 dolarów. Przy większych wolumenach produkcji te koszty znacząco spadają, czyniąc projekty COB bardziej przystępnymi cenowo dla produkcji na dużą skalę.

Układ scalony z 21 pinami do analizy kosztów

Projektowanie połączeń drutowych COB w Altium Designer

Podsumowanie

Połączenia drutowe pozostają kluczową technologią we współczesnej elektronice, oferując elastyczność i efektywność kosztową w różnorodnych zastosowaniach, w tym w układach 3D IC, elektronice mocy i diodach COB LED. Chociaż koszty materiałów i produkcji mogą się różnić, zwłaszcza przy produkcji na dużą skalę, korzyści kosztowe połączeń drutowych stają się oczywiste wraz ze skalą produkcji. W miarę ewolucji technologii, połączenia drutowe będą nadal niezbędne do łączenia kolejnej generacji wysokowydajnych urządzeń elektronicznych.

Połączenia drutowe oraz wiele nowych funkcji będą częścią nadchodzącej wersji Altium Designer 25, która zadebiutuje w przyszłym miesiącu. Zapraszamy do udziału w naszym webinarze na temat tej wersji, zatytułowanym: Modernizacja procesów inżynierskich: Altium Designer 25 i przyszłość projektowania współbieżnego.

Oczywiście dodatkowo możesz już teraz rozpocząć darmowy okres próbny Altium Designer + Altium 365 i sprawdzić, jak możesz podnieść swoje projekty PCB na wyższy poziom dzięki funkcji Wire Bonding.