Jak wygląda łączenie przewodów na płytce PCB?

Czym jest łączenie drutowe?

Łączenie drutowe jest krytyczną techniką w produkcji półprzewodników do łączenia układów scalonych (IC) z urządzeniami elektrycznymi i między płytkami PCB. Wyróżnia się opłacalnością i trwałością w tworzeniu połączeń. Wykorzystując metody spawania i różne techniki, łączenie drutowe polega na precyzyjnym mocowaniu przewodów metalowych do chipów, co wymaga wysokiej wiedzy technologicznej, aby zapewnić dokładne i trwałe połączenia. Ewolucja łączenia drutowego rozwiązała ograniczenia starszych metod łączenia lutowniczego, zwiększając niezawodność i wydajność układów półprzewodnikowych.

Łączenie przewodów zmienia wymagania dotyczące płytek PCB w zakresie wykończenia padów, czystości, odstępu między gniazdami i obsługi obudowy, dlatego należy je określić obok Wykończenie powierzchni PCB wybór i, w przypadku urządzeń o małej wysokości dźwięku, zaawansowany montaż pakietów sterownica.

Jakie są aplikacje?

Telefony komórkowe

W produkcji telefonów komórkowych łączenie drutowe, szczególnie w przypadku pakietów baterii, oferuje zalety w porównaniu z tradycyjnym spawaniem punktowym. Ta technika, wykorzystująca energię ultradźwiękową, umożliwia bardziej niezawodne i mniej szkodliwe połączenia między ogniwami baterii, zwiększając żywotność i wydajność baterii. Rozwiązuje ona ograniczenia spawania punktowego, takie jak potencjalne zwarcia i niekorzystne skutki dla systemu zarządzania baterią (BMS) z powodu wysokich temperatur i luźnych połączeń, co sprawia, że ​​łączenie drutowe jest preferowanym wyborem do montażu pakietów baterii w przemyśle.

Motoryzacja

W pojazdach elektrycznych łączenie drutowe stosuje się w systemach zarządzania akumulatorem w celu łączenia poszczególnych ogniw akumulatora, co zapewnia efektywną dystrybucję i zarządzanie energią.
W przypadku akumulatorów pojazdów elektrycznych łączenie ogniw cylindrycznych z szyną zbiorczą w akumulatorach obejmuje różne techniki, takie jak łączenie drutem, spawanie laserowe i spawanie punktowe. Łączenie drutem, przy użyciu energii ultradźwiękowej, tworzy silne wiązanie atomowe poprzez usuwanie warstwy tlenku na aluminium, zwiększając niezawodność połączenia. Ta metoda jest szczególnie korzystna dla optymalizacji procesu poprzez wykorzystanie samoograniczającej się natury tlenku glinu, zapewniając efektywny transfer elektronów dla trwałych połączeń.

Urządzenia medyczne:

W przypadku rozruszników serca łączenie drutowe łączy obwody sterujące urządzenia ze źródłem zasilania i elektrodami czujnikowymi, co jest krytyczne dla niezawodnej pracy. W urządzeniach medycznych łączenie drutowe jest kluczowe dla urządzeń wszczepialnych, takich jak rozruszniki serca i defibrylatory. Urządzenia te polegają na łączeniu drutowym w celu połączenia układu krzemowego wewnątrz urządzenia ze źródłem zasilania i zaciskami wyjściowymi. Dzięki temu urządzenie może dokładnie monitorować rytm serca i dostarczać impulsy elektryczne w razie potrzeby, a niezawodność i precyzja są krytyczne dla bezpieczeństwa pacjenta i długowieczności urządzenia.

Lotnictwo:

W satelitach łączenie drutowe jest stosowane do łączenia ogniw słonecznych z systemami zarządzania energią, co jest niezbędne do zasilania w warunkach kosmicznych. W lotnictwie i kosmonautyce łączenie drutowe jest stosowane w systemach satelitarnych, w szczególności do łączenia paneli słonecznych z systemem zarządzania energią. Zapewnia to wydajny transfer energii z paneli słonecznych do systemów satelity, co jest kluczowe dla długoterminowej pracy satelity w trudnych warunkach kosmicznych, gdzie niezawodność i trwałość są najważniejsze.

W przypadku decyzji dotyczących produkcji Highleap dokumentuje również wsparcie produkcji elektroniki oraz elementy płytki drukowanej, co może pomóc uniknąć niejasnych notatek w pakiecie wyceny.

Zaleta łączenia drutowego

Precyzja dla małych elementów.
Większa gęstość połączeń bez konieczności zajmowania dodatkowej przestrzeni na płytce drukowanej.
Zmniejszone naprężenie termiczne wrażliwych podzespołów.
Zwiększona niezawodność dla aplikacji o wysokiej wydajności.
Idealne do łączenia układów scalonych bezpośrednio ze sobą lub z płytką drukowaną w ciasnych przestrzeniach.

Głównym celem łączenia drutowego w technologii, zwłaszcza w zakresie zastosowań PCB o wysokiej częstotliwości (powyżej GHz), jest zapewnienie niezawodnych i trwałych połączeń między układami scalonymi i złączami. Jest to kluczowe dla zachowania integralności sygnałów i impulsów napięciowych, niezbędnych w nowoczesnej elektronice. Łączenie drutowe obsługuje komunikację w czasie rzeczywistym między komponentami, minimalizując zniekształcenia sygnału i ułatwiając szybki transfer danych. Dzięki temu jest ono niezbędne w sektorach takich jak produkcja pojazdów elektrycznych, w których wydajność i niezawodność są najważniejsze.

Metody łączenia przewodów

• Wiązanie termosoniczne: Łączy ciepło, energię ultradźwiękową i siłę, aby wiązać przewody, zazwyczaj złoto lub miedź, z podłożem. Jest to najpowszechniejsza metoda, szeroko stosowana w obudowach półprzewodników.
• Spajanie ultradźwiękowe: Wykorzystuje wibracje ultradźwiękowe bez dodawania zewnętrznego ciepła (lub minimalnego ciepła) do łączenia przewodów aluminiowych, idealne w przypadku delikatnych komponentów.
• Spajanie termokompresyjne: Polega na wykorzystaniu ciepła i siły w celu uzyskania wiązania, bez użycia energii ultradźwiękowej, nadaje się do szczególnych zastosowań, w których drgania ultradźwiękowe mogłyby mieć negatywny wpływ.

Materiały powszechnie stosowane w łączeniu drutowym

• Złoto (Au): Preferowane ze względu na doskonałą przewodność, odporność na korozję i ciągliwość, co czyni je odpowiednim do wiązania termosonicznego.
• Aluminium (Al): Szeroko stosowane ze względu na dobrą przewodność elektryczną i niską cenę, nadaje się do łączenia ultradźwiękowego i termokompresyjnego.
• Miedź (Cu): W porównaniu do aluminium zapewnia lepszą przewodność elektryczną i cieplną. Jest coraz częściej wykorzystywana ze względu na swoją wytrzymałość mechaniczną, choć wymaga ostrożnego obchodzenia się z nią ze względu na utlenianie.

Materiały powszechnie stosowane w łączeniu drutowym

• Złoto (Au): Preferowane ze względu na doskonałą przewodność, odporność na korozję i ciągliwość, co czyni je odpowiednim do wiązania termosonicznego.
• Aluminium (Al): Szeroko stosowane ze względu na dobrą przewodność elektryczną i niską cenę, nadaje się do łączenia ultradźwiękowego i termokompresyjnego.
• Miedź (Cu): W porównaniu do aluminium zapewnia lepszą przewodność elektryczną i cieplną. Jest coraz częściej wykorzystywana ze względu na swoją wytrzymałość mechaniczną, choć wymaga ostrożnego obchodzenia się z nią ze względu na utlenianie.

Proces łączenia drutem

• Formowanie kulek: Na końcu drutu formowana jest mała kulka za pomocą płomienia lub wyładowania elektrycznego.
• Wyrównanie: Przewód jest wyrównany względem płytki łączącej na układzie scalonym lub podłożu.
• Wiązanie: Piłka jest dociskana do podkładki za pomocą ciepła, energii ultradźwiękowej lub obu tych środków.
• Tworzenie pętli: Przewód jest wiązany do następnego punktu łączenia, aby zachować elastyczność i zmniejszyć naprężenia.
• Drugie wiązanie: Przewód jest łączony z następnym padem, a nadmiar przewodu jest odcinany.

Wyzwanie łączenia drutowego

Zrozumienie czynników aplikacji i środowiska jest kluczowe dla niezawodności wiązania drutowego. Czynniki takie jak podwyższona temperatura, wilgotność i cykle temperaturowe mogą prowadzić do awarii z powodu problemów takich jak tworzenie związków międzymetalicznych, korozja (w tym korozja galwaniczna w systemach Au-Al) i naprężenia termomechaniczne z powodu niedopasowania współczynnika rozszerzalności cieplnej (CTE). Wyzwania te wymagają kompleksowego zrozumienia systemów metalowych i wpływu środowiska w celu zwiększenia trwałości i wydajności wiązania drutowego.