Спайка проводниками: Современные применения, тенденции технологий и аспекты стоимости

Введение

Спайка проводниками давно стала доминирующим методом соединения кристаллов полупроводников с выводными рамками корпусов и печатными платами, особенно в технологии Chip-on-Board (COB), где кристалл напрямую монтируется на печатную плату. Спайка проводниками для COB стала популярной в потребительской электронике, такой как калькуляторы и ранние цифровые устройства, благодаря своей надежности и экономической эффективности в массовом производстве.

Со временем спайка проводниками COB эволюционировала, чтобы удовлетворить требованиям миниатюризации и повышенной производительности, став критически важной технологией в таких приложениях, как мощные светодиоды, датчики изображения, силовая электроника и высокопроизводительные вычисления. Сегодня спайка проводниками составляет 75-80% первичных межсоединений в микроэлектронной промышленности, обеспечивая надежные соединения в компактных, высокопроизводительных конструкциях.

Современные применения спайки проводниками в электронике

Спайка проводниками используется в широком спектре современных приложений, предлагая гибкость, надежность и экономическую эффективность. Некоторые ключевые области включают:

• 3D интегральные схемы (ИС): В 3D ИС, где несколько полупроводниковых кристаллов уложены вертикально, проволочное соединение играет ключевую роль для соединения этих слоев. По мере того как устройства становятся более компактными, растет спрос на высокоплотную вычислительную мощность, что делает проволочное соединение незаменимым для управления мелким шагом и большим количеством контактов. Эта технология критически важна для высокопроизводительных вычислений, передовых мобильных устройств и высокоплотной цифровой электроники.

3D уложенные кристаллы с проволочными соединениями

• Силовая электроника и полупроводники с широким запрещенным зоной: Проволочное соединение необходимо для упаковки полупроводников с широким запрещенным зоной, таких как карбид кремния (SiC) и нитрид галлия (GaN), которые используются в высокомощных приложениях, таких как электромобили и системы возобновляемой энергии. Эти полупроводники работают при высоких напряжениях и температурах, и часто используется проволочное соединение с толстым медным проводом для обработки более высоких токовых нагрузок и обеспечения эффективного управления мощностью.

Модуль с проволочным соединением (источник изображения: Electronics Weekly, “Powering UP”, апрель 2022

• Оптоэлектроника и датчики изображения: По мере увеличения разрешения датчиков изображения резко возрастает количество необходимых соединений, что делает тонкое проволочное соединение необходимым. Эти высокопроизводительные, высокоплотные конструкции критически важны для передовой потребительской электроники, медицинской диагностики и систем безопасности.

Датчик изображения CMOS COB с проволочными соединениями [источник изображения: Университет Альберты, опубликовано в Sensors 2011]

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

• Светодиоды на основе технологии Chip-on-Board (COB): Технология COB широко используется в дизайне светодиодов, обеспечивая более высокую плотность светового потока и улучшенное тепловое управление. Проволочное соединение позволяет создавать компактные массивы светодиодов с эффективным рассеиванием тепла, что приводит к более ярким и долговечным решениям освещения в автомобильной, промышленной и потребительской сферах.

Массив светодиодов COB (источник изображения: CREE)

Стоимостные соображения при проволочном соединении

Хотя проволочное соединение предлагает значительные преимущества с точки зрения производительности и эффективности использования пространства, стоимость остается важным фактором, особенно для крупномасштабного производства. Стоимость проволочного соединения зависит от нескольких переменных, включая тип используемого материала, сложность приложения и объем производства.

• Стоимость материалов: Стоимость материалов для соединения проводами сильно варьируется. Соединение золотыми проводами является самым дорогим вариантом, с ценой около 349 долларов за грамм для провода 0,8 mil. Однако медь и алюминий предлагают гораздо более экономичные альтернативы, особенно в приложениях, где все еще важны высокая проводимость и долговечность. Например, провода для соединения того же диаметра из алюминия или меди могут стоить лишь долю от стоимости золота, что делает их идеальным выбором для производства большими объемами.
• Стоимость производства: Стоимость машин для соединения проводами варьируется в зависимости от уровня автоматизации. Ручные или полуавтоматические машины могут стоить десятки тысяч долларов и подходят для производства меньшего масштаба или создания прототипов, в то время как полностью автоматизированные машины могут стоить сотни тысяч долларов и необходимы для производства большого масштаба. Для производства малым объемом или единичного производства часто более экономичным решением является аутсорсинг процесса соединения проводами внешнему производителю. Эти поставщики услуг могут предложить более доступные решения без необходимости для компаний инвестировать в дорогостоящее оборудование для соединения проводами.
• Объемы производства и стоимость инструментов: Проволочное соединение становится более экономически выгодным при увеличении объемов производства. Несмотря на то что первоначальные затраты на оснастку для проволочного соединения фиксированы, стоимость за единицу продукции снижается по мере увеличения производства. В условиях массового производства — например, от сотен тысяч до миллионов единиц в год — конструкции COB могут быть более экономически выгодными, чем использование стандартных упакованных микросхем. Это связано с тем, что COB исключает необходимость в упаковке кристаллов, снижая затраты на сборку и позволяя создавать более компактные конструкции с меньшим количеством компонентов.
• Пример расчета стоимости: Для базовой конструкции COB с кристаллом размером 1770 мкм x 1258 мкм и 21 проволочным соединением стоимость может значительно варьироваться в зависимости от уровня автоматизации и объема производства. Вот примерный расчет для небольшой партии из 100 единиц:
  • Услуга и стоимость инструментов для проволочного соединения: $500 (фиксированная);
  • Процесс проволочного соединения (алюминиевые клиновые соединения): $360;
  • Стоимость голого кристалла: $115 за единицу;
  • Печатная плата с покрытием ENEPIG (50x50 мм): $590;
  • Упаковка и доставка: $50.
  Общая стоимость производственного запуска 100 единиц: $1,615. При больших объемах производства эти затраты значительно снижаются, делая конструкции COB более доступным выбором для крупномасштабного производства.

Кристалл с 21 выводом для анализа стоимости

Дизайн COB с использованием соединения проводами в Altium Designer

Заключение

Соединение проводами остается ключевой технологией в современной электронике, предлагая гибкость и экономическую эффективность в различных приложениях, включая 3D ИС, силовую электронику и COB светодиоды. Хотя материальные и производственные затраты могут варьироваться, особенно при производстве больших объемов, преимущества стоимости соединения проводами становятся очевидными по мере увеличения масштабов производства. По мере развития технологий соединение проводами будет оставаться необходимым для соединения следующего поколения высокопроизводительных электронных устройств.

Лучшая интерактивная маршрутизация

Сократите время маршрутизации вручную даже для самых сложных проектных решений.

Изучите предлагаемые решения

Соединение проводами и множество новых функций будут частью предстоящего релиза Altium Designer 25, который состоится в следующем месяце. Мы приглашаем вас присоединиться к нашему вебинару по этому релизу, который называется: Модернизация инженерных рабочих процессов: Altium Designer 25 и будущее параллельного проектирования.

Конечно, кроме того, вы можете уже сейчас начать свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 и проверить, как вы можете улучшить свои печатные платы до нового уровня с помощью функции Wire Bonding.