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]

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

• 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.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

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.