Ligação por Fio: Aplicações Modernas, Tendências Tecnológicas e Considerações de Custo

Introdução

O wire bonding tem sido há muito tempo o método dominante para conectar dies de semicondutores a quadros de ligação de embalagens e placas de circuito, particularmente na tecnologia Chip-on-Board (COB), onde o die é montado diretamente na PCB. O wire bonding para COB tornou-se popular em eletrônicos de consumo, como calculadoras e dispositivos digitais iniciais devido à sua confiabilidade e eficiência de custo na produção em massa.

Com o tempo, o wire bonding COB evoluiu para atender às demandas de miniaturização e maior desempenho, tornando-se uma tecnologia crítica em aplicações como LEDs de potência, sensores de imagem, eletrônicos de potência e computação de alto desempenho. Hoje, o wire bonding representa 75-80% das interconexões de primeiro nível na indústria de microeletrônicos, fornecendo conexões confiáveis em designs compactos e de alto desempenho.

Aplicações Modernas do Wire Bonding na Eletrônica

O wire bonding é usado em uma ampla gama de aplicações modernas, oferecendo flexibilidade, confiabilidade e eficiência de custo. Algumas das áreas-chave incluem:

• Circuitos Integrados 3D (ICs): Nos ICs 3D, onde múltiplos dies semicondutores são empilhados verticalmente, a ligação por fios é vital para conectar essas camadas. À medida que os dispositivos se tornam mais compactos, a demanda por poder de processamento de alta densidade cresceu, tornando a ligação por fios indispensável na gestão de espaçamentos finos e altas contagens de pinos. Esta tecnologia é crítica para computação de alto desempenho, dispositivos móveis avançados e eletrônicos digitais de alta densidade.

Die empilhado 3D com ligações por fios

• Eletrônica de Potência e Semicondutores de Banda Larga: A ligação por fios é essencial para a embalagem de semicondutores de banda larga como carbeto de silício (SiC) e nitreto de gálio (GaN), que são usados em aplicações de alta potência como veículos elétricos e sistemas de energia renovável. Esses semicondutores operam em altas voltagens e temperaturas, e a ligação por fios de cobre de calibre pesado é frequentemente usada para lidar com as cargas de corrente mais altas e garantir uma gestão eficiente da energia.

Módulo de potência com ligação por fios (fonte da imagem: Electronics Weekly, “Powering UP”, abril de 2022)

• Optoeletrônica e Sensores de Imagem: À medida que a resolução dos sensores de imagem aumenta, o número de conexões necessárias aumenta dramaticamente, tornando a ligação por fios finos essencial. Esses designs de alta performance e alta densidade são cruciais para eletrônicos de consumo avançados, diagnósticos médicos e sistemas de segurança.

Sensor de imagem CMOS COB com ligações por fio [fonte da imagem: Universidade de Alberta publicado em Sensors 2011]

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• LEDs Chip-on-Board (COB): A tecnologia COB é amplamente utilizada em designs de LED, proporcionando maior densidade de lúmen e melhor gestão térmica. A ligação por fio possibilita arranjos de LED compactos com dissipação eficiente de calor, levando a soluções de iluminação mais brilhantes e duradouras em aplicações automotivas, industriais e de consumo.

Arranjo de LEDs COB (fonte da imagem: CREE)

Considerações de Custo na Ligação por Fio

Embora a ligação por fio ofereça vantagens significativas em termos de desempenho e eficiência de espaço, o custo permanece um fator importante, especialmente para produção em larga escala. O custo da ligação por fio é influenciado por várias variáveis, incluindo o tipo de material utilizado, a complexidade da aplicação e o volume de produção.

• Custos dos Materiais: O custo dos materiais para wire bonding varia amplamente. O wire bonding de ouro é a opção mais cara, com um preço em torno de $349 por grama para fio de 0,8 mil. No entanto, o cobre e o alumínio oferecem alternativas muito mais econômicas, especialmente em aplicações onde a alta condutividade e durabilidade ainda são essenciais. Por exemplo, o mesmo diâmetro de fio de ligação de alumínio ou cobre pode ser uma fração do custo comparado ao ouro, tornando-os escolhas ideais para produção em grande volume.
• Custos de Fabricação: As máquinas de wire bonding variam em custo dependendo do seu nível de automação. Máquinas manuais ou semi-automatizadas podem custar dezenas de milhares de dólares e são adequadas para produção em menor escala ou protótipos, enquanto máquinas totalmente automatizadas podem custar centenas de milhares de dólares e são essenciais para produção em grande escala. Para produções de baixo volume ou não recorrentes, muitas vezes é mais econômico terceirizar o processo de wire bonding para um fabricante externo. Esses prestadores de serviço podem oferecer soluções mais acessíveis sem a necessidade das empresas investirem em equipamentos de wire bonding caros.
• Volume de Produção e Custos de Ferramental: A ligação por fios torna-se mais eficiente em termos de custos com volumes de produção maiores. Embora os custos iniciais de ferramental para configurações de ligação por fios sejam fixos, o custo por unidade diminui à medida que a produção escala. Em produções de alto volume—como centenas de milhares a milhões de unidades por ano—os designs COB podem ser mais econômicos do que o uso de chips embalados padrão. Isso ocorre porque o COB elimina a necessidade de embalagem de die, reduzindo os custos de montagem e permitindo designs mais compactos com menos componentes.
• Exemplo de Desdobramento de Custos: Para um design COB básico com um die de 1770 um x 1258 um e 21 ligações por fios, os custos podem variar significativamente dependendo do nível de automação e do volume de produção. Aqui está um exemplo de desdobramento para um pequeno lote de 100 unidades:
  • Custo do serviço de ligação por fios e carga de ferramental: $500 (fixo);
  • Processo de ligação por fios (ligações de cunha de alumínio): $360;
  • Custo do die nu: $115 por unidade;
  • PCB com acabamento de superfície ENEPIG (50x50mm): $590;
  • Embalagem e envio: $50.
  Custos totais para uma produção de 100 unidades: $1.615. Para volumes de produção maiores, esses custos caem significativamente, tornando os designs COB uma escolha mais acessível para fabricação em larga escala.

Die com 21 pinos para análise de custo

Design de wire bonding COB no Altium Designer

Conclusão

O wire bonding continua sendo uma tecnologia crucial na eletrônica moderna, oferecendo flexibilidade e eficiência de custo em uma variedade de aplicações, incluindo ICs 3D, eletrônicos de potência e LEDs COB. Embora os custos de material e fabricação possam variar, especialmente para produção em alta escala, as vantagens de custo do wire bonding tornam-se evidentes à medida que a produção aumenta. À medida que a tecnologia continua a evoluir, o wire bonding permanecerá essencial para conectar a próxima geração de dispositivos eletrônicos de alto desempenho.

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