Quelle est la liaison filaire sur le PCB ?

Qu’est-ce que le wire bonding ?

La liaison filaire est une technique essentielle dans la fabrication de semi-conducteurs pour connecter des circuits intégrés (CI) aux appareils électriques et entre les PCB. Il se distingue par sa rentabilité et sa durabilité dans la réalisation d'interconnexions. Utilisant des méthodes de soudage et diverses techniques, le wire bonding consiste à fixer avec précision des fils métalliques aux puces, ce qui nécessite une expertise technologique élevée pour garantir des connexions précises et durables. L'évolution du câblage filaire a permis de remédier aux limites des anciennes méthodes de soudage par soudure, améliorant ainsi la fiabilité et les performances des systèmes semi-conducteurs.

Le câblage modifie les exigences relatives aux circuits imprimés en matière de finition des pastilles, de propreté, de dégagement des cavités et de manipulation des boîtiers ; il doit donc être spécifié en même temps que la sélection de la finition de surface du circuit imprimé et, pour les dispositifs à pas fin, les contrôles avancés d’assemblage des boîtiers.

Quelles sont les applications?

Smartphones

Dans la fabrication de téléphones mobiles, le soudage par fil, en particulier pour les batteries, offre des avantages par rapport au soudage par points traditionnel. Cette technique, utilisant l'énergie ultrasonique, permet des connexions plus fiables et moins dommageables entre les cellules de la batterie, améliorant ainsi la durée de vie et les performances de la batterie. Il répond aux limites du soudage par points, telles que les courts-circuits potentiels et les effets néfastes sur le système de gestion de la batterie (BMS) dus aux températures élevées et aux connexions desserrées, faisant du câblage filaire un choix privilégié pour l'assemblage de blocs-batteries dans l'industrie.

Automobile

Dans les véhicules électriques, la liaison filaire est utilisée dans les systèmes de gestion de batterie pour connecter des cellules de batterie individuelles, garantissant ainsi une distribution et une gestion efficaces de l’énergie.
Pour les batteries de véhicules électriques, la connexion de cellules cylindriques à un jeu de barres dans les batteries implique diverses techniques telles que la liaison par fil, le soudage au laser et le soudage par points. La liaison filaire, utilisant l'énergie ultrasonique, forme une forte liaison atomique en éliminant la couche d'oxyde sur l'aluminium, améliorant ainsi la fiabilité de la connexion. Cette méthode est particulièrement bénéfique pour optimiser le processus en tirant parti de la nature auto-limitante de l’oxyde d’aluminium, garantissant ainsi un transfert d’électrons efficace pour des connexions durables.

Équipement médical:

Pour les stimulateurs cardiaques, la liaison filaire relie les circuits de commande de l'appareil à sa source d'alimentation et à ses électrodes de détection, ce qui est essentiel pour un fonctionnement fiable. Dans les dispositifs médicaux, la liaison filaire est cruciale pour les dispositifs implantables tels que les stimulateurs cardiaques et les défibrillateurs. Ces appareils s'appuient sur une liaison filaire pour connecter la puce de silicium à l'intérieur de l'appareil à sa source d'alimentation et à ses bornes de sortie. Cela garantit que l'appareil peut surveiller les rythmes cardiaques avec précision et délivrer des impulsions électriques en cas de besoin, avec une fiabilité et une précision essentielles à la sécurité des patients et à la longévité de l'appareil.

Aérospatial:

Dans les satellites, la liaison filaire est utilisée pour connecter les réseaux de cellules solaires aux systèmes de gestion de l’énergie, essentiels à l’alimentation électrique dans des conditions spatiales. Dans l'aérospatiale, la liaison filaire est utilisée dans les systèmes satellitaires, notamment pour connecter les panneaux solaires au système de gestion de l'énergie. Cela garantit un transfert d'énergie efficace des panneaux solaires vers les systèmes du satellite, crucial pour le fonctionnement à long terme du satellite dans l'environnement hostile de l'espace où la fiabilité et la durabilité sont primordiales.

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Avantage du câblage filaire

Précision pour les petits composants.
Densité de connexion plus élevée sans espace PCB supplémentaire.
Stress thermique réduit sur les composants sensibles.
Fiabilité améliorée pour les applications hautes performances.
Idéal pour connecter des circuits intégrés directement entre eux ou au PCB dans des espaces restreints.

L'objectif principal du wire bonding dans la technologie, en particulier dans le domaine des applications PCB haute fréquence (au-dessus de GHz), est d'assurer des connexions fiables et durables entre les puces et les connecteurs. C’est crucial pour maintenir l’intégrité des signaux et des impulsions de tension essentiels dans l’électronique moderne. La liaison filaire prend en charge la communication en temps réel entre les composants, minimisant la distorsion du signal et facilitant le transfert de données à grande vitesse. Cela le rend indispensable dans des secteurs comme la fabrication de véhicules électriques, où les performances et la fiabilité sont primordiales.

Méthodes de liaison filaire

• Liaison thermosonique : combine la chaleur, l'énergie ultrasonique et la force pour lier des fils, généralement de l'or ou du cuivre, au substrat. Il s'agit de la méthode la plus courante, largement utilisée dans le conditionnement des semi-conducteurs.
• Liaison par ultrasons : utilise des vibrations ultrasoniques sans appliquer de chaleur externe (ou une chaleur minimale) pour lier des fils d'aluminium, idéal pour les composants sensibles.
• Liaison par thermocompression : repose sur la chaleur et la force pour réaliser la liaison, sans énergie ultrasonique, adaptée aux applications spécifiques où les vibrations ultrasoniques pourraient être préjudiciables.

Matériaux courants utilisés dans le collage de fils

• Or (Au) : Préféré pour son excellente conductivité, sa résistance à la corrosion et sa ductilité, ce qui le rend adapté au collage thermosonique.
• Aluminium (Al) : Largement utilisé pour sa bonne conductivité électrique et son moindre coût, adapté au collage par ultrasons et par thermocompression.
• Cuivre (Cu) : offre une conductivité électrique et thermique supérieure à celle de l'aluminium et est de plus en plus utilisé pour sa résistance mécanique, bien qu'il nécessite une manipulation prudente en raison de l'oxydation.

Matériaux courants utilisés dans le collage de fils

• Or (Au) : Préféré pour son excellente conductivité, sa résistance à la corrosion et sa ductilité, ce qui le rend adapté au collage thermosonique.
• Aluminium (Al) : Largement utilisé pour sa bonne conductivité électrique et son moindre coût, adapté au collage par ultrasons et par thermocompression.
• Cuivre (Cu) : offre une conductivité électrique et thermique supérieure à celle de l'aluminium et est de plus en plus utilisé pour sa résistance mécanique, bien qu'il nécessite une manipulation prudente en raison de l'oxydation.

Le processus de liaison filaire

• Formation de boule : Une petite boule est formée à l’extrémité du fil à l’aide d’une flamme ou d’une décharge électronique.
• Alignement : le fil est aligné avec le plot de connexion sur la puce ou le substrat.
• Collage : la balle est pressée sur le coussin en utilisant de la chaleur, de l'énergie ultrasonique ou les deux.
• Formation de boucle : le fil est bouclé jusqu'au point de liaison suivant pour maintenir la flexibilité et réduire le stress.
• Deuxième formation de liaison : le fil est lié à la pastille suivante et l'excédent de fil est coupé.

Le défi du câblage filaire

Comprendre l'application et les facteurs environnementaux est crucial pour la fiabilité des liaisons filaires. Des facteurs tels que la température élevée, l'humidité et les cycles de température peuvent entraîner des défaillances dues à des problèmes tels que la formation de composés intermétalliques, la corrosion (y compris la corrosion galvanique dans les systèmes Au-Al) et les contraintes thermomécaniques dues aux discordances CTE. Ces défis nécessitent une compréhension globale des systèmes métalliques et des impacts environnementaux pour améliorer la durabilité et les performances des liaisons filaires.