unión de chips en sustratos cerámicos: qué cubre este manual (y a quién va dirigido)

Esta guía está diseñada para ingenieros de hardware, líderes de adquisiciones y gerentes de programas que están haciendo la transición de diseños de alta potencia o alta frecuencia desde el prototipo a la producción en masa. Específicamente, aborda el proceso crítico de unión de chips en sustratos cerámicos, donde los chips semiconductores se unen directamente a portadores cerámicos (como Alúmina o Nitruro de Aluminio) para maximizar el rendimiento térmico y la fiabilidad.

En este manual, encontrará un enfoque estructurado para definir especificaciones, identificar riesgos de fabricación ocultos y validar las capacidades de los proveedores. Vamos más allá de las definiciones básicas para proporcionar listas de verificación prácticas que le ayudarán a asegurar una cadena de suministro estable. El enfoque está en prevenir fallas en el campo causadas por una gestión térmica deficiente o estrés mecánico en la interfaz chip-sustrato.

En APTPCB (Fábrica de PCB APTPCB), a menudo vemos proyectos retrasados porque el paquete de datos inicial carecía de parámetros específicos de unión de chips. Esta guía cierra la brecha entre su intención de diseño y la realidad de fabricación de la fábrica. Asegura que cuando solicite un presupuesto, esté pidiendo un proceso que sea robusto, repetible y escalable.

Cuándo la unión de chips en sustratos cerámicos es el enfoque correcto (y cuándo no lo es)

Comprender el caso de uso específico de los sustratos cerámicos es el primer paso para garantizar la viabilidad del proyecto, ya que esta tecnología ofrece ventajas distintivas sobre las placas FR4 estándar o de núcleo metálico, pero conlleva costos más elevados.

Este es el enfoque correcto cuando:

• Las cargas térmicas son extremas: Su densidad de componentes o potencia de salida genera calor que las PCB de núcleo metálico (MCPCB) estándar no pueden disipar eficientemente. La cerámica ofrece una conductividad térmica superior (24–170 W/mK o superior).
• La coincidencia del CTE es crítica: Está utilizando grandes chips desnudos (bare dies). El Coeficiente de Expansión Térmica (CTE) de la cerámica (6–7 ppm/°C) coincide estrechamente con el del silicio, reduciendo la tensión en la línea de unión durante el ciclo térmico.
• Se requiere hermeticidad: La aplicación opera en entornos hostiles (aeroespacial, perforación de pozos) donde la entrada de humedad debe ser nula.
• Rendimiento de alta frecuencia: Necesita una baja pérdida dieléctrica para aplicaciones de RF o microondas, donde los sustratos cerámicos proporcionan una integridad de señal superior en comparación con los laminados orgánicos.
• Aislamiento de alto voltaje: Necesita voltajes de ruptura que superen los 5kV en un formato compacto, lo que los materiales cerámicos proporcionan de forma natural.

Este NO es el enfoque correcto cuando:

• El costo es el factor principal: Si el presupuesto térmico permite el uso de FR4 con vías térmicas o MCPCB de aluminio estándar, la cerámica probablemente esté sobredimensionada y sea demasiado cara.
• Se necesita flexibilidad mecánica: La cerámica es frágil. Si el conjunto se somete a fuerzas significativas de flexión o torsión sin una carcasa rígida, se agrietará.
• Solo componentes SMT estándar: Si no está conectando chips desnudos (Chip-on-Board) y solo utiliza componentes encapsulados que no requieren una disipación de calor extrema, las tecnologías de PCB estándar son suficientes.

Requisitos que debe definir antes de cotizar

Para evitar cotizaciones vagas y consultas de ingeniería que detengan la producción, debe definir claramente los siguientes 12 parámetros en su paquete de documentación inicial.

1. Grado del material del sustrato: Especifique el tipo exacto de cerámica. No diga simplemente "Cerámica". Especifique Alúmina (96% Al2O3) para usos estándar rentables, o Nitruro de Aluminio (AlN) para disipación térmica de alto rendimiento (>170 W/mK).
2. Tecnología de metalización: Defina cómo se aplican las pistas metálicas. Las opciones incluyen Cobre Directamente Unido (DBC) para alta corriente, Cobre Directamente Chapado (DPC) para líneas finas, o Soldadura Fuerte de Metal Activo (AMB) para una fiabilidad extrema en ciclos térmicos.
3. Acabado de la superficie: Indique explícitamente el acabado requerido para la unión de cables (wire bonding) o la soldadura. ENEPIG (Níquel Químico Paladio Químico Oro de Inmersión) a menudo se prefiere para la fiabilidad de la unión de cables de oro.
4. Material de Fijación del Chip: Especifique el medio. ¿Está utilizando pasta de sinterización de plata (Ag) para el mayor rendimiento térmico, soldadura eutéctica de oro-estaño (AuSn) para sellado hermético, o epoxi conductor para aplicaciones de menor costo?
5. Espesor de la Línea de Unión (BLT): Defina el espesor objetivo de la capa de fijación del chip (p. ej., 30µm ±10µm). Demasiado delgada causa vacíos; demasiado gruesa aumenta la resistencia térmica.
6. Requisito de Resistencia al Cizallamiento: Establezca un valor de fuerza mínimo (en kg o Newtons) que el chip debe soportar para pasar la validación mecánica, típicamente basado en el tamaño del chip (p. ej., MIL-STD-883).
7. Porcentaje de Vacíos: Defina el área máxima permitida de vacíos en la capa de fijación del chip (p. ej., <5% del área total, sin un solo vacío >1%). Esto es crítico para prevenir puntos calientes.
8. Precisión de Colocación del Chip: Especifique la tolerancia de X, Y y Theta (rotación). Para aplicaciones ópticas o de RF, esto podría necesitar ser ±10µm; para electrónica de potencia, ±50µm podría ser suficiente.
9. Altura y Cobertura del Filete: Defina qué tan alto debe subir el material de fijación del chip por el lado del chip (filete). Usualmente, se requiere el 50-75% de la altura del chip para asegurar una buena adhesión sin cortocircuitar las áreas activas.
10. Estándares de Limpieza: Especifique los requisitos de limpieza con plasma antes de la unión de cables. La contaminación en la superficie cerámica es una causa principal de falla de la unión.
11. Conductividad Térmica del Sistema: En lugar de solo el material, especifique la resistencia térmica (Rth) requerida de la unión a la carcasa si tiene datos de simulación.
12. Capacidad de Retrabajo: Indique claramente si el ensamblaje debe ser retrabajable. Muchos procesos de unión de troqueles cerámicos de alta fiabilidad (como la sinterización) son efectivamente permanentes.

Los riesgos ocultos que impiden la escalabilidad

Incluso con especificaciones perfectas, la transición a la fabricación en volumen introduce variables que pueden causar pérdidas de rendimiento; aquí están los riesgos específicos asociados con la unión de troqueles en sustratos cerámicos.

1. Riesgo: Vacíos en la Línea de Unión

   • Por qué ocurre: La desgasificación de la pasta de unión del troquel queda atrapada debajo del troquel durante el proceso de reflujo o curado.
   • Detección: La inspección por rayos X es obligatoria.
   • Prevención: Utilice hornos de reflujo al vacío o procesos de sinterización a presión. Optimice el perfil de reflujo y térmico para cerámica para permitir que los solventes volátiles escapen antes de que el material se endurezca.

2. Riesgo: Alabeo del Sustrato Cerámico

   • Por qué ocurre: La cerámica es rígida, pero los sustratos delgados pueden alabearse si la metalización de cobre (DBC) tiene una tensión desigual o si la velocidad de enfriamiento es demasiado rápida.
   • Detección: Perfilometría láser o inspección visual durante el control de calidad de entrada.
   • Prevención: Asegure un espesor de cobre equilibrado en las caras superior e inferior de la cerámica. Controle estrictamente las rampas de enfriamiento.

3. Riesgo: Inclinación del Troquel

• Por qué ocurre: Dispensación desigual del material de unión del chip o presión de colocación desigual.
  • Detección: Seccionamiento transversal o AOI 3D.
  • Prevención: Utilizar patrones de dispensación específicos (por ejemplo, patrón de asterisco o cruz) en lugar de un solo punto para asegurar una distribución uniforme.

4. Riesgo: Desprendimiento de la metalización (Delaminación)

   • Por qué ocurre: Mala adhesión entre la capa de cobre y la cerámica, a menudo exacerbada por el ciclado térmico.
   • Detección: C-SAM (Microscopía Acústica de Barrido) o pruebas de pelado.
   • Prevención: Validar la fuerza de adhesión del proveedor de DBC/DPC. Utilizar AMB (Soldadura Fuerte de Metal Activo) para aplicaciones de alta tensión.

5. Riesgo: Salpicadura de soldadura / Sangrado de sinterización

   • Por qué ocurre: Volumen excesivo de material de unión del chip o demasiada fuerza de colocación que exprime el material sobre las almohadillas adyacentes.
   • Detección: Inspección visual / AOI.
   • Prevención: Control estricto del volumen de dispensación (mg) y la fuerza de colocación (g). Diseñar presas de soldadura si es necesario.

6. Riesgo: Agrietamiento por desajuste de CTE

   • Por qué ocurre: Aunque la cerámica coincide bien con el silicio, los materiales de interfaz (soldadura/sinterización) deben absorber algo de tensión. Si la línea de unión es demasiado delgada, el chip se agrieta.
   • Detección: Ciclado térmico seguido de prueba eléctrica o CSAM.
   • Prevención: Aplicar controles de espesor mínimo de la línea de unión (BLT) utilizando perlas espaciadoras o control de fuerza preciso.

7. Riesgo: Contaminación de la superficie (Residuo orgánico)

• Por qué ocurre: Residuos del proceso de unión de troqueles (die attach) migran a las almohadillas de unión de alambre (wire bond pads), impidiendo una unión de alambre exitosa posteriormente.
  • Detección: Errores de no adherencia en la almohadilla (NSOP) durante la unión de alambre.
  • Prevención: Pasos de limpieza con plasma inmediatamente antes de la unión de alambre.

8. Riesgo: Perfiles térmicos inconsistentes

   • Por qué ocurre: La cerámica tiene una alta masa térmica. Los perfiles estándar de FR4 no funcionarán.
   • Detección: Juntas de soldadura frías o sinterización incompleta.
   • Prevención: Desarrollar un perfil térmico y de reflujo personalizado para cerámica utilizando termopares conectados directamente al sustrato durante la configuración.

9. Riesgo: Oxidación del acabado superficial

   • Por qué ocurre: Almacenamiento inadecuado de los sustratos antes del ensamblaje.
   • Detección: Decoloración o mala humectación.
   • Prevención: Almacenar los sustratos cerámicos en gabinetes secos de nitrógeno o bolsas selladas al vacío hasta su uso.

10. Riesgo: Incompatibilidad de la metalización posterior del troquel

    • Por qué ocurre: El metal en la parte posterior del troquel (p. ej., Oro) no coincide con el material de unión del troquel (p. ej., ciertas epoxis), lo que lleva a uniones débiles.
    • Detección: Resultados de baja resistencia al cizallamiento.
    • Prevención: Verificar la "Tabla de compatibilidad de metalización" del fabricante de la pasta/soldadura con la hoja de datos del troquel.

Plan de validación (qué probar, cuándo y qué significa "aprobado")

Un plan de validación robusto asegura que los riesgos identificados anteriormente se controlen antes de enviar el producto a los clientes.

1. Prueba de Cizallamiento de Chip (Destructiva)

   • Objetivo: Verificar la adhesión mecánica.
   • Método: Aplicar fuerza al lado del chip hasta que falle (MIL-STD-883, Método 2019).
   • Aceptación: Fuerza >1.0x la especificación mínima; el modo de falla debe ser en el material (cohesivo), no en la interfaz (adhesivo).

2. Inspección por Rayos X (No Destructiva)

   • Objetivo: Cuantificar los vacíos.
   • Método: Rayos X 100% en línea o muestreo AQL.
   • Aceptación: Vacíos totales <5% (o según especificación); ningún vacío individual >1% del área del chip; sin vacíos debajo de puntos calientes críticos.

3. Microscopía Acústica de Barrido (C-SAM)

   • Objetivo: Detectar la delaminación entre capas (Chip-a-Adhesivo, Adhesivo-a-Sustrato, Cobre-a-Cerámica).
   • Método: Imágenes ultrasónicas.
   • Aceptación: Sin indicaciones de delaminación en el área activa.

4. Choque Térmico / Ciclos Térmicos

   • Objetivo: Probar la fiabilidad bajo estrés.
   • Método: -40°C a +125°C (o +150°C) durante 500-1000 ciclos.
   • Aceptación: Sin aumento en la resistencia térmica; sin circuitos abiertos eléctricos; la resistencia al cizallamiento se mantiene >50% del valor inicial.

5. Almacenamiento a Alta Temperatura (HTS)

   • Objetivo: Probar el envejecimiento del material y el crecimiento intermetálico.
   • Método: Almacenar a 150°C durante 1000 horas.
   • Aceptación: Degradación de la resistencia al cizallamiento <20%.

6. Análisis de Sección Transversal (Microseccionamiento)

   • Objetivo: Verificar el Espesor de la Línea de Unión (BLT) y la geometría del filete.

• Método: Encapsular, desbastar y pulir una unidad de muestra; inspeccionar bajo microscopio.
  • Aceptación: BLT dentro de la tolerancia (ej., 30µm ±5µm); filete uniforme; sin microfisuras en el chip o la cerámica.

7. Prueba de tracción de alambres (si aplica)

   • Objetivo: Asegurar que el proceso de unión del chip no contaminó las almohadillas.
   • Método: Tirar de los alambres hasta la destrucción.
   • Aceptación: Fallo en el alambre (rotura), no desprendimiento de la almohadilla.

8. Prueba de Transitorios Térmicos (t3Ster)

   • Objetivo: Medir la resistencia térmica real (Rth-jc).
   • Método: Aplicar un pulso de potencia y medir la curva de enfriamiento.
   • Aceptación: El valor de Rth coincide con la simulación dentro de ±10%.

9. Inspección Visual (Óptica)

   • Objetivo: Verificar la precisión de colocación y el sangrado de epoxi.
   • Método: Microscopio de alta magnificación o AOI.
   • Aceptación: Sin epoxi en las almohadillas de unión de alambres; rotación del chip <1 grado; sin astillamiento en los bordes del chip.

10. Prueba Funcional Eléctrica

    • Objetivo: Confirmar que el chip no fue dañado por calor/presión.
    • Método: Prueba paramétrica completa.
    • Aceptación: 100% Aprobado.

Lista de verificación del proveedor (RFQ + preguntas de auditoría)

Utilice esta lista de verificación para evaluar a posibles socios de fabricación. Un proveedor que no pueda responder a estas preguntas representa un alto riesgo para la unión de chips en sustratos cerámicos.

Entradas de RFQ (Usted los proporciona)

• Archivos Gerber con capas separadas para máscara de soldadura/sinterización y metalización.
• Plano de ensamblaje que muestra la orientación del dado, las coordenadas X/Y y la polaridad.
• Lista de Materiales (BOM) especificando la pasta/preforma de unión de dado exacta.
• Especificación para sustrato cerámico (Al2O3 vs AlN, DBC vs DPC).
• Criterios de aceptación definidos para vacíos (Rayos X) y precisión de colocación.
• Restricciones del perfil térmico (temperatura máxima, pendiente máxima).
• Diagrama de unión de cables (si APTPCB realiza la unión de cables).
• Requisitos de empaque (Gel-Pak, Cinta y Carrete, Waffle Pack).

Prueba de Capacidad (El proveedor proporciona)

• ¿Tienen capacidad interna de reflujo al vacío o sinterización a presión?
• ¿Pueden manejar el perfil de reflujo y térmico específico para cerámica (mayor capacidad calorífica)?
• ¿Cuál es su capacidad de tamaño de dado mínimo y máximo?
• ¿Tienen máquinas de unión de dados automatizadas con reconocimiento de patrones?
• ¿Pueden procesar el tamaño de oblea específico (6", 8", 12") o los paquetes tipo waffle que usted utiliza?
• ¿Tienen equipo interno de limpieza por plasma?
• ¿Cuál es su método estándar de control del espesor de la línea de unión (BLT)?
• ¿Tienen experiencia con el ensamblaje y reflujo de MCPCB LED (a menudo un buen indicador de competencia térmica)?

Sistema de Calidad y Trazabilidad

• ¿La inspección por Rayos X es 100% o por muestreo? (Para NPI, exigir 100%).
• ¿Pueden rastrear un número de serie de PCB específico hasta el número de lote de la oblea del dado?
• ¿Realizan pruebas de cizallamiento en cada configuración/inicio de lote?
• ¿Existe un área de almacenamiento en seco dedicada para sustratos cerámicos y troqueles sensibles a la humedad?
• ¿Cuentan con ISO 13485 (Médica) o IATF 16949 (Automotriz) si su industria lo requiere?
• ¿Cómo gestionan la vida útil de las pastas de sinterización o epoxis (FIFO)?

Control de Cambios y Entrega

• ¿Le notificarán antes de cambiar la marca del material de unión de troqueles?
• ¿Tienen un acuerdo de "Proceso Congelado" para la producción en masa?
• ¿Cuál es el procedimiento para manejar errores de "caída de troquel" o de recogida?
• ¿Pueden soportar un stock de seguridad para sustratos cerámicos de largo plazo de entrega?
• ¿Cuál es su plan de recuperación ante desastres para el entorno de sala limpia?
• ¿Ofrecen servicios de análisis de fallos (FA) si se producen devoluciones de campo?

Guía para la toma de decisiones (compromisos que realmente puede elegir)

La ingeniería se trata de compromisos. Aquí están los compromisos que enfrentará al especificar este proceso.

1. Alúmina (Al2O3) vs. Nitruro de Aluminio (AlN)

   • Compromiso: El AlN tiene 7 veces la conductividad térmica de la Alúmina, pero cuesta 2-3 veces más.
   • Orientación: Si su densidad de potencia es <50 W/cm², quédese con la Alúmina. Si es >100 W/cm², debe usar AlN.

2. Soldadura vs. Sinterización de Plata

   • Compromiso: La sinterización ofrece un rendimiento térmico y de fiabilidad superior (sin fatiga), pero es un proceso más lento y costoso que requiere equipo especializado.

• Orientación: Para temperaturas industriales estándar (-40 a 125°C), la soldadura es adecuada. Para inversores de tracción de vehículos eléctricos o temperaturas >175°C, elija la sinterización.

3. DBC (Cobre Directamente Adherido) vs. DPC (Cobre Directamente Chapado)

   • Compromiso: El DBC maneja corrientes masivas (cobre grueso) pero tiene una resolución de línea fina deficiente. El DPC ofrece características de precisión pero con cobre más delgado.
   • Orientación: Use DBC para módulos de potencia (IGBTs). Use DPC para matrices de LED de alta densidad o sensores.

4. Reflujo al Vacío vs. Reflujo Estándar

   • Compromiso: El reflujo al vacío prácticamente elimina los huecos, pero aumenta el tiempo de ciclo y el costo.
   • Orientación: Si una porosidad >10% es aceptable, el reflujo estándar funciona. Para componentes de potencia de alta fiabilidad (porosidad <5%), el vacío es innegociable.

5. Dispensación vs. Impresión con Plantilla

   • Compromiso: La impresión con plantilla es más rápida para grandes volúmenes pero menos flexible para alturas de chip variables. La dispensación es más lenta pero se adapta a las cavidades.
   • Orientación: Use la impresión para matrices planas de alto volumen. Use la dispensación para módulos multichip complejos con cavidades.

Preguntas Frecuentes

P: ¿Puedo reelaborar un chip adherido a un sustrato cerámico? R: Depende del material. La soldadura se puede reelaborar usando una placa caliente, pero la sinterización de plata es permanente. Intentar quitar un chip sinterizado generalmente destruye la metalización del sustrato.

P: ¿Cuál es la vida útil típica de los sustratos cerámicos? A: Típicamente 12 meses si se almacena en un ambiente de nitrógeno o sellado al vacío. El riesgo es la oxidación de la superficie de Ag o Cu, lo que degrada la humectación de la soldadura.

Q: ¿Cómo difiere el perfil de reflujo para cerámica vs. FR4? A: La cerámica tiene una mayor capacidad calorífica y conductividad térmica. El perfil de reflujo y térmico para cerámica requiere una rampa de calentamiento más lenta para evitar el agrietamiento por choque térmico y un tiempo de remojo más prolongado para asegurar que toda la masa alcance la temperatura de reflujo.

Q: ¿Por qué se recomienda la limpieza con plasma antes de la unión de cables (wire bonding)? A: El epoxi de unión de troqueles a menudo "sangra" o desgasifica residuos orgánicos invisibles sobre las almohadillas de unión de cables. La limpieza con plasma elimina esta contaminación a nivel atómico para asegurar uniones de cables fuertes.

Q: ¿Se requiere underfill para la unión de troqueles en cerámica? A: Usualmente no. Debido a que el CTE de la cerámica coincide estrechamente con el troquel, el estrés en los bultos o la línea de unión es bajo, a diferencia del Flip-Chip en FR4 donde el underfill es obligatorio.

Q: ¿Cuál es la diferencia entre "Soldadura Blanda" y "Soldadura Dura"? A: Las soldaduras blandas (alto contenido de plomo o estaño-plomo) son más dúctiles y absorben el estrés, pero se fatigan con el tiempo. Las soldaduras duras (AuSn) son frágiles pero no se fatigan, lo que las hace ideales para sustratos cerámicos rígidos en encapsulados herméticos.

Q: ¿Puede APTPCB manejar el suministro de troqueles desnudos? A: Sí, pero preferimos que el cliente consigne el troquel (oblea o paquete waffle) para asegurar que se utilice la revisión exacta del silicio. Podemos suministrar los sustratos cerámicos y los materiales de unión. P: ¿Cuál es el tamaño mínimo de dado para la colocación automática? R: típicamente 0.2mm x 0.2mm (8 mil x 8 mil). Los dados más pequeños pueden requerir equipo especializado.

Páginas y herramientas relacionadas

• Fabricación de PCB Cerámicas
  • Por qué esto ayuda: Profundiza en las propiedades del material del sustrato (Al2O3 vs AlN) y los tipos de metalización (DBC/DPC) disponibles para tu proyecto de unión de dados.
• Ensamblaje de PCB Llave en Mano
  • Por qué esto ayuda: Explica cómo integramos la fabricación del sustrato, el aprovisionamiento de componentes y la unión de dados en un único flujo de trabajo sin interrupciones.
• Soluciones de PCB de Alta Disipación Térmica
  • Por qué esto ayuda: Explora estrategias alternativas de gestión térmica si la cerámica resulta ser una solución sobredimensionada para tu aplicación específica.
• Directrices DFM
  • Por qué esto ayuda: Proporciona reglas generales de diseño que te ayudan a preparar tu paquete de datos para minimizar preguntas de ingeniería y retrasos.
• Servicios de Inspección por Rayos X
  • Por qué esto ayuda: Detalla la tecnología de validación utilizada para detectar vacíos en la capa de unión del dado, una métrica de calidad crítica.

Solicitar una cotización

¿Listo para avanzar? Solicita una cotización aquí. Cuando envíes tus datos, nuestro equipo de ingeniería realizará una revisión DFM para verificar la viabilidad de la colocación del dado y los requisitos del perfil térmico. Para una respuesta más rápida, por favor incluya:

• Archivos Gerber (incluyendo capas de pasta/máscara).
• Plano de ensamblaje con coordenadas y orientación del chip.
• Hojas de datos para el chip y el sustrato deseado.
• Requisitos específicos para el porcentaje de vacíos y la resistencia al cizallamiento.
• Volumen anual estimado (EAU).

Conclusión

La implementación exitosa de la unión de chips en sustratos cerámicos requiere más que solo comprar el adhesivo adecuado; exige una visión holística de los materiales, la elaboración de perfiles térmicos y una validación rigurosa. Al controlar el espesor de la línea de unión, gestionar los vacíos mediante procesos de vacío y seleccionar la metalización correcta, puede lograr un producto que resista los entornos térmicos más severos. APTPCB está listo para apoyar su transición del diseño a la producción de alta fiabilidad con la precisión que esta tecnología exige.

Related links

• **Fabricación de PCB Cerámicas**
• **Ensamblaje de PCB Llave en Mano**
• **Soluciones de PCB de Alta Disipación Térmica**
• **Directrices DFM**
• **Servicios de Inspección por Rayos X**
• **Solicita una cotización aquí**