Unión por Hilo en Cerámica: Especificaciones de Ingeniería, Pasos del Proceso y Guía de Resolución de Problemas

Respuesta Rápida (30 segundos)

La unión de cables en cerámica exitosa depende de un control estricto de la rugosidad de la superficie, la pureza de la metalización y la gestión de la energía térmica. A diferencia de los sustratos orgánicos (FR4), la cerámica disipa el calor rápidamente, lo que requiere temperaturas de etapa más altas y una calibración precisa de la energía ultrasónica.

Rugosidad de la Superficie: Debe ser Ra < 0.3 µm (idealmente < 0.1 µm para película delgada) para asegurar la adhesión del enlace.
Metalización: ENEPIG u Oro Blando (99.99% de pureza) con un espesor mínimo de 0.1 µm es estándar.
Temperatura: Las temperaturas de etapa suelen oscilar entre 150°C y 250°C, más altas que los procesos estándar de PCB.
Limpieza: La limpieza con plasma es obligatoria para eliminar contaminantes orgánicos antes de la unión.
Validación: Las pruebas de tracción de cables deben cumplir con los estándares MIL-STD-883 (típicamente > 3g para cable de oro de 1 mil).

Cuándo se aplica la unión de cables en cerámica (y cuándo no)

Comprender las limitaciones físicas de los sustratos cerámicos es el primer paso para determinar la viabilidad del proceso.

Cuándo usar la unión de cables en cerámica:

Aplicaciones de Alta Potencia: Cuando el dispositivo requiere una disipación de calor eficiente (p. ej., módulos IGBT, LEDs de potencia) que las PCB orgánicas no pueden manejar.
Sellado Hermético: Para sensores aeroespaciales o médicos que requieren un sellado hermético al vacío donde la desgasificación de pegamentos o laminados orgánicos es inaceptable.
RF de alta frecuencia: Cuando la pérdida de señal debe minimizarse; la cerámica (Alúmina o Nitruro de Aluminio) ofrece propiedades dieléctricas superiores en comparación con los laminados estándar.
Entornos de alta temperatura: Cuando el entorno operativo supera los 150°C, donde las uniones de soldadura tradicionales podrían fatigarse o el FR4 podría delaminarse.
Miniaturización: Cuando los requisitos de paso son inferiores a 100 µm, lo que requiere tecnología de chip-on-board (COB) directo sin encapsulados voluminosos.

Cuándo NO usarlo:

Electrónica de consumo sensible al costo: Si el ensamblaje SMT estándar en FR4 es suficiente, la cerámica añade costos innecesarios de material y procesamiento.
Paneles de gran formato: Los sustratos cerámicos son frágiles y propensos a deformarse o agrietarse en tamaños superiores a 4x4 pulgadas, lo que dificulta su manipulación.
Aplicaciones flexibles: La cerámica tiene cero flexibilidad; cualquier estrés mecánico o flexión fracturará el sustrato inmediatamente.
Componentes soldables estándar: Si el diseño utiliza solo componentes encapsulados (SOIC, QFN) con terminales estándar, la unión por hilo añade un paso de proceso redundante y costoso.

Reglas y especificaciones

Una vez confirmada la decisión de utilizar la unión por hilo en cerámica, el diseño debe adherirse a tolerancias de fabricación específicas. Desviarse de estas reglas es la causa principal de fallos de "no adherencia en la almohadilla" (NSOP).

Regla	Valor/Rango recomendado	Por qué es importante	Cómo verificar	Si se ignora
Rugosidad de la Superficie (Ra)	< 0.3 µm (Película Gruesa) < 0.1 µm (Película Delgada)	Las superficies rugosas impiden que el capilar forme un compuesto intermetálico (IMC) uniforme.	Perfilómetro o escaneo AFM.	Uniones débiles, desprendimiento inmediato durante las pruebas.
Espesor del Chapado de Oro	0.1 µm – 0.5 µm (Oro Blando)	El oro actúa como capa de deformación. Demasiado delgado expone el níquel; demasiado grueso es un desperdicio de costo.	Fluorescencia de Rayos X (XRF).	Demasiado delgado: Oxidación/NSOP. Demasiado grueso: Exceso de costo.
Espesor de la Barrera de Níquel	3.0 µm – 6.0 µm	Evita la migración de cobre a la capa de oro, lo que envenena la unión.	XRF o análisis de sección transversal.	La difusión conduce a la degradación de la unión con el tiempo.
Tamaño del Pad de Unión (Mín.)	70 µm x 70 µm (para alambre de 25µm)	Proporciona margen para la precisión de colocación y el "aplastamiento" de la bola de unión.	Medición óptica (AOI).	La unión se sale del pad, causando cortocircuitos o circuitos abiertos.
Paso del Pad de Unión	> 80 µm (Estándar) > 60 µm (Paso Fino)	Evita la interferencia capilar con alambres o bucles adyacentes.	Verificación de Reglas de Diseño CAD (DRC).	Cortocircuitos entre alambres de unión adyacentes.
Temperatura de la Etapa	150°C – 250°C	La cerámica actúa como disipador de calor; se necesita calor para ablandar el alambre y el pad para la difusión.	Termopar en la superficie de la abrazadera.	Demasiado baja: No hay formación de unión. Demasiado alta: Oxidación del leadframe/epoxi.
Potencia Ultrasónica	60 – 120 mW (Variable)	Proporciona la energía de fregado para romper óxidos y fusionar metales.	Herramienta de calibración del transductor.	Baja: NSOP. Alta: Cráteres (agrietamiento de la cerámica debajo de la almohadilla).
Fuerza de Unión	15g – 40g (para alambre de 1 mil)	Asegura un contacto íntimo entre el alambre y la almohadilla durante el fregado ultrasónico.	Calibración del medidor de fuerza.	Baja: Unión débil. Alta: Deformación excesiva/grietas en el talón.
Limpieza con Plasma	Mezcla de Argón/Oxígeno, 2-5 min	Elimina residuos orgánicos (sangrado de epoxi, aceites de los dedos) de la superficie de oro.	Prueba del ángulo de contacto del agua.	Altas tasas de NSOP debido a contaminación invisible.
Adhesivo para Fijación de Chip	Baja desgasificación, relleno de Ag	Previene la contaminación de las almohadillas de unión durante el proceso de curado.	Prueba de resistencia al cizallamiento.	Vacíos debajo del chip, mala transferencia térmica, contaminación de la almohadilla.
Altura del Bucle del Alambre	> 100 µm	Evita que el alambre toque el borde del chip (cortocircuito).	Inspección óptica de vista lateral.	Cortocircuitos en el borde del chip.
Material del Sustrato	96% Al2O3 o AlN	Determina la conductividad térmica y la coincidencia de CTE con el chip.	Certificación de la hoja de datos del material.	La falta de coincidencia térmica causa agrietamiento del chip o fatiga de la unión.

Pasos de implementación

La ejecución de un proceso fiable de unión de alambres en cerámica requiere una secuencia estricta de operaciones. Cada paso se basa en el anterior, y omitir puntos de validación resultará en una pérdida de rendimiento al final de la línea. 1. Preparación y Limpieza del Sustrato

Acción: Limpiar el sustrato cerámico utilizando un lavado con solvente seguido de una limpieza con plasma (Argón o Argón/Oxígeno).
Parámetro Clave: Tiempo de plasma (típicamente 3-5 minutos) y potencia (300W).
Verificación de Aceptación: Ángulo de contacto con el agua < 10 grados indica una superficie limpia y de alta energía lista para la unión.

2. Unión de Chips (Die Bonding)

Acción: Dispensar adhesivo o colocar una preforma de soldadura, luego colocar el chip sobre la almohadilla cerámica.
Parámetro Clave: Control del espesor de la línea de unión (BLT) (típicamente 25-50 µm).
Verificación de Aceptación: Inspección visual para detectar el sangrado de epoxi. El sangrado sobre las almohadillas de unión de alambre impedirá la unión posterior. Consulte las directrices de unión de chips en sustratos cerámicos para la selección específica del adhesivo.

3. Curado / Reflujo

Acción: Curar el adhesivo o reflujo de la soldadura.
Parámetro Clave: El perfil térmico y de reflujo para cerámica debe controlarse para evitar choques térmicos en la cerámica (velocidad de rampa < 3°C/seg).
Verificación de Aceptación: Prueba de cizallamiento de chip en una unidad de muestra para verificar la integridad mecánica (> 1 kg de fuerza dependiendo del tamaño del chip).

4. Configuración y Calibración del Equipo de Unión de Alambres

Acción: Instalar el capilar y la bobina de alambre correctos (p. ej., alambre de Au de 1 mil). Cargar el perfil térmico específico para la masa cerámica.
Parámetro Clave: Temperatura de la etapa ajustada a 150°C - 200°C. La cerámica requiere un tiempo de remojo más prolongado para alcanzar el equilibrio en comparación con el FR4.
Verificación de Aceptación: Realizar una prueba de "bond-off" en un cupón para verificar la planaridad de la herramienta y el acoplamiento ultrasónico.

5. Primer Enlace (Enlace de Bola en el Chip)

Acción: El capilar desciende, aplica fuerza y energía ultrasónica para formar el enlace de bola en el chip semiconductor.
Parámetro Clave: Tamaño de la Bola de Aire Libre (FAB) (típicamente 2-2.5x el diámetro del hilo).
Verificación de Aceptación: Verificación visual de enlaces tipo "palo de golf" o bolas descentradas.

6. Formación del Bucle

Acción: El capilar asciende y se mueve a la segunda ubicación de enlace, formando el bucle del hilo.
Parámetro Clave: Altura del bucle y factor de forma (movimiento inverso) para evitar el balanceo del hilo.
Verificación de Aceptación: Asegurarse de que el hilo no se comba y toque el borde del chip o los hilos adyacentes.

7. Segundo Enlace (Enlace de Cuña en Cerámica)

Acción: El capilar une el hilo a la almohadilla de enlace de cerámica. Este es el paso más crítico para el wire bonding en cerámica debido a problemas de rugosidad de la superficie.
Parámetro Clave: Amplitud y tiempo de frotado (scrub). A menudo se necesita más energía aquí que en el chip.
Verificación de Aceptación: Apariencia de "cola de pez" del enlace de cuña. Sin desprendimiento ni levantamiento.

8. Prueba de Tracción Destructiva (Base de Muestra)

Acción: Usar un probador de tracción para aplicar fuerza ascendente en el bucle del hilo hasta que falle.
Parámetro Clave: Velocidad de tracción y colocación del gancho (a mitad del tramo).
Verificación de Aceptación: Resistencia mínima a la tracción (ej., > 3 gramos para hilo de 1 mil). El modo de fallo debe ser "rotura del hilo" (bueno), no "enlace levantado" (malo). 9. Inspección Visual No Destructiva
Acción: Inspección Óptica Automatizada (AOI) o verificación manual con microscopio.
Parámetro Clave: Aumento 30x - 100x.
Verificación de Aceptación: Verificar que no haya cables faltantes, cables cruzados o cráteres en las almohadillas cerámicas.

Modos de falla y resolución de problemas

Cuando la unión de cables en cerámica falla, la causa raíz a menudo se puede rastrear a la interfaz del material o a la configuración de energía. Los ingenieros de APTPCB (Fábrica de PCB APTPCB) utilizan la siguiente lógica para diagnosticar problemas.

1. No Adhesión en la Almohadilla (NSOP) - Segundo Enlace

Síntoma: El cable se desprende de la almohadilla cerámica inmediatamente después de que el capilar se eleva.
Causas: Contaminación (sangrado de epoxi, oxidación), potencia ultrasónica insuficiente, baja temperatura de la etapa o rugosidad superficial excesiva.
Verificaciones: Inspeccionar la almohadilla en busca de decoloración (oxidación). Revisar los registros del limpiador de plasma. Medir la rugosidad de la almohadilla.
Solución: Aumentar ligeramente la potencia/tiempo ultrasónico. Volver a limpiar los sustratos con plasma.
Prevención: Implementar programas de limpieza con plasma más estrictos y verificar los perfiles de curado del epoxi para evitar la desgasificación.

2. Cráteres (Fractura Cerámica)

Síntoma: La almohadilla de unión se desprende, llevándose un trozo de cerámica, o aparecen grietas visibles debajo de la unión.
Causas: Potencia ultrasónica o fuerza de unión excesivas. La cerámica es frágil y no puede absorber impactos como el FR4.
Verificaciones: Buscar "hendiduras" en la cerámica debajo de la almohadilla metálica.
Solución: Reducir la fuerza de unión y la velocidad de impacto. Usar un parámetro de "aterrizaje suave" si está disponible.
Prevención: Optimizar la ventana de unión (DOE) para encontrar el límite inferior de energía requerida para la adhesión.

3. Grietas en el Talón

Síntoma: El hilo se rompe en el "talón" de la segunda unión durante la prueba de tracción.
Causas: Herramienta capilar desgastada, deformación excesiva del hilo o ángulos de bucle pronunciados.
Verificaciones: Inspeccionar la punta del capilar en busca de desgaste/acumulación. Medir el ancho de la unión (aplastamiento).
Solución: Reemplazar el capilar. Reducir la fuerza de unión. Ajustar la trayectoria del bucle para reducir la tensión en el talón.
Prevención: Establecer un programa de cambio de capilar basado en el recuento de uniones (p. ej., cada 500k uniones).

4. Bola Levantada (Primera Unión)

Síntoma: La unión de bola se desprende de la superficie del chip.
Causas: Falla intermetálica, contaminación en el chip o tamaño incorrecto de la bola de aire libre (FAB).
Verificaciones: Inspeccionar la parte inferior de la bola levantada. Si está lisa, no se formó intermetálico.
Solución: Aumentar la fuerza/potencia de unión inicial. Verificar la compatibilidad de la metalización del chip (Aluminio vs Oro).
Prevención: Asegurar que el almacenamiento de la oblea esté purgado con nitrógeno para evitar la oxidación del aluminio en las almohadillas de unión.

5. Barrido / Caída del Hilo

Síntoma: Los hilos se mueven lateralmente y se tocan entre sí, o se caen sobre el borde del chip.
Causas: Bucles de hilo largos, parámetros de bucle incorrectos o turbulencia del flujo de aire durante la encapsulación.
Verificaciones: Medir la relación altura del bucle vs. longitud del hilo.
Solución: Utilice un hilo más rígido (oro dopado) o acorte la distancia del bucle. Ajuste la configuración de "movimiento inverso".
Prevención: Diseñe las almohadillas de unión más cerca del chip para minimizar la longitud del hilo (se recomiendan < 3 mm).

6. Baja Resistencia al Cizallamiento

Síntoma: Las uniones de bola fallan las pruebas de cizallamiento por debajo de la especificación, incluso si se adhieren visualmente.
Causas: Temperatura insuficiente (IMC subcurado), geometría incorrecta del capilar.
Verificaciones: Verifique que la temperatura de la etapa realmente esté llegando a la superficie del sustrato (la cerámica disipa el calor rápidamente).
Solución: Aumente el tiempo de remojo antes de la unión. Aumente la temperatura de la etapa.
Prevención: Utilice mapeo térmico para asegurar que el área de unión esté a la temperatura objetivo, no solo el bloque calefactor.

Decisiones de diseño

La resolución de problemas a menudo nos remite a las decisiones de diseño iniciales. Al planificar un proyecto con APTPCB, considere estas decisiones fundamentales sobre materiales.

Selección de Materiales: Alúmina (Al2O3) vs. Nitruro de Aluminio (AlN)

Alúmina (96%): La elección estándar. Buena aislación eléctrica, conductividad térmica moderada (24 W/mK). Adecuada para la mayoría de los sensores y circuitos híbridos. Más fácil de unir debido a los procesos de película gruesa maduros.
Nitruro de Aluminio (AlN): Alto rendimiento. Excelente conductividad térmica (170+ W/mK), igualando de cerca el CTE del silicio. Esencial para IGBTs de alta potencia o amplificadores de RF. Sin embargo, el AlN es más caro y requiere una metalización especializada (DBA/DBC) que puede ser más difícil de unir con alambre si la rugosidad de la superficie no se controla.

Metalización: Película Gruesa vs. Película Delgada

Película Gruesa: La pasta se serigrafía y se cuece. La superficie resultante es más rugosa (Ra 0.3-0.5 µm). Requiere parámetros de unión agresivos. Menor costo.
Película Delgada: Metal pulverizado o evaporado. Muy suave (Ra < 0.1 µm). Ideal para unión de alambre de paso fino y RF de alta frecuencia. Mayor costo pero mayor rendimiento para la unión de alambre.

Geometría de la Almohadilla

Tamaño: Si bien 70µm es un mínimo, se prefiere 100µm x 100µm para ventanas de proceso robustas.
Espacio Libre: Asegúrese de que la "ruta de viaje" del capilar no golpee los componentes. Los circuitos cerámicos a menudo tienen condensadores altos; el cabezal de la máquina de unión necesita espacio libre.

Preguntas Frecuentes

1. ¿Puedo usar alambre de aluminio en sustratos cerámicos? Sí, la unión por cuña de aluminio es común para aplicaciones de potencia (alambre grueso) y COB. Se realiza a temperatura ambiente (solo ultrasónico), lo que evita el alto calor requerido para la unión de oro. Sin embargo, la metalización de la almohadilla debe ser compatible (generalmente Aluminio o Níquel-Oro).

2. ¿Cuál es la diferencia entre película gruesa y película delgada para la unión de alambre? La película delgada proporciona una superficie mucho más lisa y una definición de borde más nítida, lo que permite un paso más fino y uniones de mayor fiabilidad. La película gruesa es más rugosa y puede requerir fuerzas de unión más altas, lo que aumenta el riesgo de formación de cráteres en la cerámica.

3. ¿Por qué es necesaria la limpieza con plasma? Los sustratos cerámicos a menudo acumulan contaminantes orgánicos del almacenamiento o de pasos de procesamiento anteriores (como el curado del troquel). La limpieza con plasma elimina estas capas invisibles a nivel molecular, aumentando significativamente la fuerza de unión y reduciendo el NSOP.

4. ¿En qué se diferencia el perfil térmico del FR4? La cerámica tiene una alta masa térmica y conductividad. Se calienta y enfría más rápido que el FR4, pero disipa el calor del sitio de unión rápidamente. Normalmente se necesitan temperaturas de etapa más altas (hasta 250 °C) y tiempos de remojo de precalentamiento más largos para asegurar que el sitio de unión esté a la temperatura correcta.

5. ¿Cuál es el tamaño mínimo de almohadilla para la unión de alambres en cerámica? Para un alambre estándar de 1 mil (25 µm), una almohadilla de 70 µm x 70 µm es el mínimo absoluto. Para un alto rendimiento, se recomienda 100 µm x 100 µm para tener en cuenta las tolerancias de colocación y el aplastamiento de la bola.

6. ¿Es posible el retrabajo en sustratos cerámicos? Sí, pero es arriesgado. Si un alambre falla, a veces se puede quitar y colocar una nueva unión en la misma almohadilla ("unión de seguridad" o unión sobre el remanente). Sin embargo, los intentos repetidos de unión pueden causar la formación de cráteres en la cerámica frágil.

7. ¿Cómo evito la formación de "cráteres" en la cerámica? La formación de cráteres es causada por una energía ultrasónica excesiva o una fuerza de impacto que fractura la cerámica debajo de la almohadilla. Para evitarlo, optimice los parámetros de unión (reduzca la fuerza/potencia), asegúrese de que la metalización sea lo suficientemente gruesa como para actuar como amortiguador y utilice una velocidad de descenso controlada.

8. ¿Cuál es la vida útil de los sustratos cerámicos unibles? Normalmente de 6 a 12 meses si se almacenan en un gabinete de nitrógeno o en una bolsa sellada al vacío. La oxidación de la superficie de níquel/oro con el tiempo degradará la capacidad de unión. Si ha caducado, la limpieza con plasma podría restaurar la capacidad de unión, pero se prefiere un chapado nuevo.

9. ¿APTPCB admite la unión de alambres gruesos para electrónica de potencia? Sí, se admite el alambre de aluminio grueso (5 mil - 20 mil) para aplicaciones de alta corriente. Esto requiere herramientas y cabezales de unión diferentes (cuña-cuña) en comparación con la unión de alambre de oro fino.

10. ¿Cómo afecta la unión del chip a la unión de alambres? Si el material de unión del chip (epoxi o soldadura) se derrama sobre las almohadillas de unión, la unión fallará. Además, si la unión del chip tiene huecos, el chip puede vibrar durante la unión ultrasónica, absorbiendo la energía y causando una unión débil (el efecto de "chip esponjoso").

11. ¿Cuál es el requisito estándar de fuerza de tracción? Según MIL-STD-883, la fuerza de tracción mínima depende del diámetro del alambre. Para alambre de oro de 1 mil (25 µm), 3 gramos es el mínimo absoluto, pero un proceso robusto debería promediar > 8 gramos.

12. ¿Puedo unir alambres directamente a cerámica desnuda? No. Debe unirse a una almohadilla metalizada (Oro, Aluminio o Plata). El alambre no puede fusionarse con el material cerámico en sí.

13. ¿Cuál es el impacto de la rugosidad de la superficie? La rugosidad interfiere con el contacto íntimo necesario para la difusión atómica. Si Ra > 0.5 µm, el alambre solo puede contactar los "picos" de la superficie, lo que lleva a un agarre mecánico débil que falla bajo ciclos térmicos.

14. ¿Cómo se compara el tiempo de entrega con el ensamblaje estándar de PCB? La unión de alambres en cerámica es un proceso especializado. Si bien la unión en sí es rápida, la configuración de herramientas, la limpieza con plasma y las pruebas rigurosas (tracción/cizallamiento) añaden tiempo. Consulte a nuestro equipo de fabricación de PCB para conocer los plazos de entrega específicos.

Glosario (términos clave)

Término	Definición
Unión de bola	La primera unión formada en la unión termosónica, con forma de bola, típicamente en la superficie del chip.
Unión de cuña	La segunda unión (puntada), aplanada y con forma de cuña, típicamente en la almohadilla del sustrato.
Capilar	La punta de la herramienta cerámica que sujeta el alambre y entrega energía ultrasónica.
Termosónico	Un método de unión que combina Calor (Termo), energía Ultrasónica (Sónico) y Fuerza.
NSOP	No Adhesión en la Almohadilla (Non-Stick On Pad). Un modo de falla donde el alambre no logra adherirse al sustrato.
Craterización	Daño al material semiconductor o sustrato cerámico debajo de la almohadilla de unión, generalmente una fractura.
Altura del Bucle	La distancia vertical desde la superficie del dado hasta el punto más alto del bucle del hilo.
Prueba de Cizallamiento	Una prueba destructiva que aplica fuerza lateral a la unión de bola para medir la fuerza de adhesión.
Descenizado por Plasma	Un proceso de limpieza que utiliza gas ionizado para eliminar materia orgánica de las superficies de unión.
ENEPIG	Níquel Químico Paladio Químico Oro por Inmersión. Un acabado superficial universal excelente para la unión de hilos.
IMC	Compuesto Intermetálico. La capa de aleación formada entre el hilo y el metal de la almohadilla que crea la unión.
Apagado de Llama (EFO)	Apagado Electrónico de Llama. La chispa utilizada para fundir la punta del hilo en una bola antes de la primera unión.
Película Gruesa	Metalización aplicada mediante pasta de serigrafía, resultando en trazas más gruesas y rugosas.
Película Delgada	Metalización aplicada mediante deposición al vacío, resultando en trazas muy delgadas y lisas.

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Capacidad de PCB Cerámica: Ceramic PCB
Inspección por rayos X (QA de unión de hilo / BGA): X-ray inspection
Directrices DFM: DFM guidelines

Conclusión

La unión por hilo en cerámica es una capacidad crítica para la electrónica de alta fiabilidad, alta potencia y RF. Exige un cambio de mentalidad respecto al ensamblaje estándar de FR4, priorizando la topografía de la superficie, la gestión térmica y el control preciso de la energía. Al adherirse a las especificaciones de rugosidad (Ra < 0.3 µm) y validar con pruebas de tracción rigurosas, los ingenieros pueden lograr una fiabilidad de grado hermético.

Ya sea que esté prototipando un nuevo módulo de RF o escalando la producción para electrónica de potencia, APTPCB proporciona los sustratos cerámicos especializados y el soporte DFM necesarios para asegurar el éxito de su proceso de unión por hilo.

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