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LIAISON PAR FIL

FICHE D'INFORMATION SUR LA BASE DE CONNAISSANCES

Qu'est-ce que le câblage par fil ?

Le soudage par fil est une méthode permettant de fixer un fil métallique mou de petit diamètre à une surface métallique compatible sans soudure ni flux, et parfois à l'aide d'une source de chaleur supérieure à 150 °C. Parmi les métaux mous, on trouve l'or (Au), le cuivre (Cu), l'argent (Ag), l'aluminium (Al) et des alliages comme le palladium-argent (PdAg), entre autres.

Comprendre les techniques et les procédés de câblage pour les applications d'assemblage microélectronique.
Techniques/procédés de collage par coin : collage par ruban, par billes thermosoniques et par coin ultrasonique
Le câblage par fil est une méthode permettant de réaliser des interconnexions entre un circuit intégré (CI) ou un dispositif semi-conducteur similaire et son boîtier ou son cadre de connexion lors de sa fabrication. Il est également couramment utilisé pour assurer les connexions électriques dans les assemblages de batteries lithium-ion. Le câblage par fil est généralement considéré comme la technologie d'interconnexion microélectronique la plus économique et la plus flexible disponible, et il est utilisé dans la majorité des boîtiers semi-conducteurs produits aujourd'hui. Il existe plusieurs techniques de câblage par fil, notamment : le câblage par thermocompression.
Le soudage par thermocompression (qui consiste à assembler deux surfaces susceptibles d'être en contact, généralement de l'or, sous une force de serrage et à des températures d'interface élevées, typiquement supérieures à 300 °C, afin de réaliser une soudure) a été initialement développé dans les années 1950 pour les interconnexions microélectroniques. Cependant, il a rapidement été supplanté dans les années 1960 par le soudage par ultrasons et thermosonique, devenu la technologie d'interconnexion dominante. Le soudage par thermocompression est encore utilisé aujourd'hui pour des applications de niche, mais il est généralement évité par les fabricants en raison des températures d'interface élevées (souvent dommageables) nécessaires à la réalisation d'une liaison réussie. Soudage par ultrasons à coin :
Dans les années 1960, le soudage par ultrasons à fil en coin est devenu la méthode d'interconnexion dominante. L'application d'une vibration à haute fréquence (via un transducteur résonnant) à l'outil de soudage, combinée à une force de serrage, a permis de souder des fils d'aluminium et d'or à température ambiante. Cette vibration ultrasonique contribue à éliminer les contaminants (oxydes, impuretés, etc.) des surfaces à souder en début de cycle et favorise la croissance intermétallique pour renforcer la liaison. Les fréquences typiques de soudage sont de 60 à 120 kHz. La technique de soudage par ultrasons à coin comprend deux principaux procédés : le soudage de gros fils (> 100 µm de diamètre) et le soudage de fils fins (< 75 µm de diamètre). Des exemples de cycles de soudage par ultrasons sont disponibles ici pour les fils fins et ici pour les gros fils. Le soudage par ultrasons à coin utilise un outil spécifique, ou « coin », généralement en carbure de tungstène (pour les fils d’aluminium) ou en carbure de titane (pour les fils d’or), selon les exigences du procédé et le diamètre des fils ; des coins à pointe céramique sont également disponibles pour des applications spécifiques. Soudage thermosonique :
Lorsque le chauffage d'appoint est nécessaire (généralement pour les fils d'or, avec des interfaces de liaison comprises entre 100 et 250 °C), le procédé est appelé soudage par ultrasons. Ce procédé présente des avantages considérables par rapport au système de thermocompression traditionnel, car il requiert des températures d'interface beaucoup plus basses (le soudage de l'or à température ambiante a été évoqué, mais en pratique, il est peu fiable sans chauffage d'appoint). Soudage par billes à ultrasons :
Une autre forme de soudage par fil thermosonique est le soudage par billes (voir le cycle de soudage par billes ici). Cette méthode utilise un outil de soudage capillaire en céramique, contrairement aux systèmes à coin traditionnels, afin de combiner les avantages du soudage par thermocompression et du soudage par ultrasons, sans leurs inconvénients. Les vibrations thermosoniques garantissent une température d'interface basse, tandis que la première interconnexion, le soudage par billes thermocompressé, permet de positionner le fil et la liaison secondaire dans n'importe quelle direction, contrairement au soudage par fils ultrasoniques où l'alignement avec la première liaison est impossible. Pour la production automatisée en grande série, les soudeuses à billes sont considérablement plus rapides que les soudeuses ultrasoniques/thermosoniques (à coin), ce qui fait du soudage par billes thermosonique la technologie d'interconnexion dominante en microélectronique depuis plus de 50 ans. Soudage par ruban :
Le soudage par ruban, utilisant des bandes métalliques plates, domine l'électronique RF et micro-ondes depuis des décennies (le ruban offrant une amélioration significative de l'atténuation du signal [effet de peau] par rapport aux fils ronds traditionnels). Les rubans d'or de petite taille, généralement jusqu'à 75 µm de large et 25 µm d'épaisseur, sont soudés par un procédé thermosonique à l'aide d'un outil de soudage à coin à face plane. Les rubans d'aluminium jusqu'à 2 000 µm de large et 250 µm d'épaisseur peuvent également être soudés par un procédé à coin ultrasonique, car la demande d'interconnexions haute densité et à faible nombre de boucles s'est accrue.

Qu'est-ce qu'un fil de liaison en or ?

Le soudage par fil d'or est un procédé qui consiste à fixer un fil d'or à deux points d'un assemblage afin de créer une interconnexion ou un chemin conducteur. La chaleur, les ultrasons et la force sont utilisés pour former les points de fixation du fil d'or. Le processus commence par la formation d'une bille d'or à l'extrémité de l'outil de soudage, le capillaire. Cette bille est pressée sur la surface chauffée de l'assemblage tout en appliquant une force adaptée à l'application et une fréquence de vibration ultrasonique de 60 à 152 kHz. Une fois la première liaison réalisée, le fil est manipulé avec précision pour former la boucle appropriée à la géométrie de l'assemblage. La seconde liaison, souvent appelée « point de soudure », est ensuite formée sur l'autre surface en appuyant sur le fil et en utilisant une pince pour le rompre au niveau de la liaison.

Le câblage par fil d'or offre une méthode d'interconnexion au sein des boîtiers présentant une conductivité électrique élevée, presque dix fois supérieure à celle de certaines soudures. De plus, les fils d'or offrent une excellente résistance à l'oxydation par rapport à d'autres matériaux et sont plus souples, un atout essentiel pour les surfaces sensibles.
Le procédé peut également varier en fonction des besoins de l'assemblage. Pour les matériaux sensibles, une bille d'or peut être placée sur la seconde zone de liaison afin de créer une liaison à la fois plus résistante et plus souple, évitant ainsi d'endommager la surface du composant. Dans les espaces restreints, une seule bille peut servir de point de départ pour deux liaisons, formant une liaison en « V ». Lorsqu'une liaison filaire doit être plus robuste, une bille peut être placée sur un point de soudure pour former une liaison de sécurité, augmentant ainsi la stabilité et la résistance du fil. Les nombreuses applications et variantes de la liaison filaire sont quasi illimitées et peuvent être réalisées grâce au logiciel automatisé des systèmes de liaison filaire Palomar.