Hàn Dây: Ứng Dụng Hiện Đại, Xu Hướng Công Nghệ và Cân Nhắc Chi Phí

Giới thiệu

Wire bonding từ lâu đã trở thành phương pháp chủ đạo để kết nối các hạt bán dẫn với khung dẫn của gói và bảng mạch, đặc biệt là trong công nghệ Chip-on-Board (COB), nơi mà hạt bán dẫn được gắn trực tiếp lên PCB. Wire bonding cho COB trở nên phổ biến trong điện tử tiêu dùng, như máy tính bỏ túi và các thiết bị số đầu tiên do độ tin cậy và hiệu quả chi phí trong sản xuất hàng loạt.

Theo thời gian, wire bonding COB đã phát triển để đáp ứng nhu cầu về mini hóa và hiệu suất cao hơn, trở thành công nghệ quan trọng trong các ứng dụng như LED công suất cao, cảm biến hình ảnh, điện tử công suất, và tính toán hiệu suất cao. Ngày nay, wire bonding chiếm 75-80% các kết nối cấp đầu tiên trong ngành công nghiệp microelectronics, cung cấp các kết nối đáng tin cậy trong thiết kế nhỏ gọn, hiệu suất cao.

Ứng dụng Hiện đại của Wire Bonding trong Điện tử

Wire bonding được sử dụng trong một loạt các ứng dụng hiện đại, cung cấp sự linh hoạt, độ tin cậy và hiệu quả chi phí. Một số lĩnh vực chính bao gồm:

• Mạch Tích Hợp 3D (ICs): Trong các IC 3D, nơi mà nhiều vi mạch bán dẫn được xếp chồng lên nhau theo chiều dọc, việc nối dây là rất quan trọng để kết nối các lớp này với nhau. Khi các thiết bị trở nên nhỏ gọn hơn, nhu cầu về khả năng xử lý dày đặc đã tăng lên, làm cho việc nối dây trở nên không thể thiếu trong việc quản lý khoảng cách nhỏ và số lượng chân cao. Công nghệ này rất quan trọng cho tính toán hiệu suất cao, thiết bị di động tiên tiến, và điện tử số dày đặc.

Điều chế 3D xếp chồng với nối dây

• Điện Tử Công Suất và Bán Dẫn Băng Rộng: Việc nối dây là thiết yếu cho việc đóng gói bán dẫn băng rộng như silicon carbide (SiC) và gallium nitride (GaN), được sử dụng trong các ứng dụng công suất cao như xe điện và hệ thống năng lượng tái tạo. Các bán dẫn này hoạt động ở điện áp và nhiệt độ cao, và thường sử dụng nối dây bằng đồng cỡ lớn để xử lý tải dòng điện cao và đảm bảo quản lý công suất hiệu quả.

Mô-đun nối dây (nguồn hình ảnh: Electronics Weekly, “Powering UP”, Tháng 4 năm 2022)

• Quang Điện Tử và Cảm Biến Hình Ảnh: Khi độ phân giải của cảm biến hình ảnh tăng lên, số lượng kết nối cần thiết tăng lên đáng kể, làm cho việc nối dây mảnh trở nên thiết yếu. Những thiết kế hiệu suất cao, dày đặc này rất quan trọng cho điện tử tiêu dùng tiên tiến, chẩn đoán y tế, và hệ thống an ninh.

Cảm biến hình ảnh CMOS COB với các mối hàn dây [nguồn hình ảnh: Đại học Alberta công bố trên Sensors 2011]

Easy, Powerful, Modern

The world’s most trusted PCB design system.

Learn More

• LED Chip-on-Board (COB): Công nghệ COB được sử dụng rộng rãi trong thiết kế LED, cung cấp mật độ lumen cao hơn và quản lý nhiệt độ tốt hơn. Hàn dây cho phép tạo ra các mảng LED gọn nhẹ với khả năng tản nhiệt hiệu quả, dẫn đến giải pháp chiếu sáng sáng hơn, bền hơn trong các ứng dụng ô tô, công nghiệp và tiêu dùng.

Mảng LED COB (nguồn hình ảnh: CREE)

Xem xét Chi phí trong Hàn Dây

Trong khi hàn dây mang lại nhiều lợi ích về hiệu suất và hiệu quả không gian, chi phí vẫn là yếu tố quan trọng, đặc biệt là đối với sản xuất quy mô lớn. Chi phí của hàn dây được ảnh hưởng bởi nhiều biến số, bao gồm loại vật liệu sử dụng, độ phức tạp của ứng dụng và khối lượng sản xuất.

• Chi phí Vật liệu: Chi phí của vật liệu hàn dây có sự chênh lệch rộng lớn. Hàn dây bằng vàng là lựa chọn đắt đỏ nhất, với giá khoảng 349 đô la cho mỗi gram dây 0.8 mil. Tuy nhiên, đồng và nhôm cung cấp những lựa chọn tiết kiệm chi phí hơn nhiều, đặc biệt trong các ứng dụng mà độ dẫn điện cao và độ bền vẫn là yếu tố quan trọng. Ví dụ, dây hàn cùng đường kính bằng nhôm hoặc đồng có thể chỉ bằng một phần nhỏ chi phí so với vàng, làm cho chúng trở thành lựa chọn lý tưởng cho sản xuất số lượng lớn.
• Chi phí Sản xuất: Máy hàn dây có giá thành khác nhau tùy thuộc vào mức độ tự động hóa. Máy hàn dây thủ công hoặc bán tự động có thể có giá hàng chục nghìn đô la và phù hợp cho sản xuất quy mô nhỏ hoặc mẫu thử nghiệm, trong khi máy hàn dây tự động hoàn toàn có thể có giá hàng trăm nghìn đô la và là thiết bị không thể thiếu cho sản xuất quy mô lớn. Đối với sản xuất số lượng ít hoặc không lặp lại, thường tiết kiệm chi phí hơn khi thuê ngoài quy trình hàn dây cho một nhà sản xuất bên ngoài. Những nhà cung cấp dịch vụ này có thể cung cấp giải pháp giá cả phải chăng hơn mà không cần các công ty phải đầu tư vào thiết bị hàn dây đắt tiền.
• Khối lượng sản xuất và Chi phí dụng cụ: Việc liên kết dây trở nên hiệu quả về chi phí hơn với khối lượng sản xuất lớn hơn. Mặc dù chi phí dụng cụ ban đầu cho các thiết lập liên kết dây là cố định, nhưng chi phí cho mỗi đơn vị giảm khi quy mô sản xuất tăng lên. Trong sản xuất với khối lượng lớn—như hàng trăm nghìn đến hàng triệu đơn vị mỗi năm—các thiết kế COB có thể hiệu quả về chi phí hơn so với việc sử dụng các chip được đóng gói tiêu chuẩn. Điều này là do COB loại bỏ nhu cầu về đóng gói die, giảm chi phí lắp ráp và cho phép thiết kế gọn nhẹ hơn với ít linh kiện hơn.
• Ví dụ về Bảng phân tích chi phí: Đối với một thiết kế COB cơ bản với die 1770 um x 1258 um và 21 liên kết dây, chi phí có thể biến đổi đáng kể tùy thuộc vào mức độ tự động hóa và khối lượng sản xuất. Dưới đây là một ví dụ phân tích cho một lô nhỏ 100 đơn vị:
  • Phí dịch vụ và phí dụng cụ liên kết dây: $500 (cố định);
  • Quy trình liên kết dây (liên kết cạnh bằng nhôm): $360;
  • Chi phí die trần: $115 mỗi đơn vị;
  • PCB với bề mặt hoàn thiện ENEPIG (50x50mm): $590;
  • Đóng gói và vận chuyển: $50.
  Tổng chi phí cho lô sản xuất 100 đơn vị: $1,615. Đối với khối lượng sản xuất cao hơn, những chi phí này giảm đáng kể, làm cho thiết kế COB trở thành lựa chọn phù hợp hơn cho sản xuất quy mô lớn.

Chíp với 21 chân cho phân tích chi phí

Thiết kế COB bằng cách kết nối dây trong Altium Designer

Kết luận

Kết nối dây vẫn là công nghệ quan trọng trong điện tử hiện đại, cung cấp sự linh hoạt và hiệu quả về chi phí trong nhiều ứng dụng, bao gồm IC 3D, điện tử công suất, và LED COB. Mặc dù chi phí vật liệu và sản xuất có thể biến đổi, đặc biệt là cho sản xuất số lượng lớn, nhưng lợi ích về chi phí của kết nối dây trở nên rõ ràng khi quy mô sản xuất tăng lên. Khi công nghệ tiếp tục phát triển, kết nối dây sẽ vẫn là thiết yếu để kết nối thế hệ tiếp theo của các thiết bị điện tử hiệu suất cao.

Best in Class Interactive Routing

Reduce manual routing time for even the most complex projects.

Explore Solutions

Kết nối Dây và nhiều tính năng mới sẽ là một phần của bản phát hành Altium Designer 25 sắp tới, ra mắt vào tháng sau. Chúng tôi mời bạn tham gia webinar về bản phát hành này, với tiêu đề: Hiện đại hóa Quy trình Làm việc Kỹ thuật: Altium Designer 25 và Tương lai của Thiết kế Đồng thời.

Tất nhiên, bên cạnh đó, bạn còn có thể bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 và kiểm tra xem bạn có thể nâng cấp thiết kế PCB của mình lên một tầm cao mới với tính năng Wire Bonding hay không.