Soudage de fils sur céramique : Spécifications techniques, étapes du processus et guide de dépannage

Réponse Rapide (30 secondes)

Le succès du câblage par fil sur céramique repose sur un contrôle strict de la rugosité de surface, de la pureté de la métallisation et de la gestion de l'énergie thermique. Contrairement aux substrats organiques (FR4), la céramique dissipe rapidement la chaleur, nécessitant des températures de platine plus élevées et une calibration précise de l'énergie ultrasonique.

Rugosité de Surface: Doit être Ra < 0,3 µm (idéalement < 0,1 µm pour les films minces) pour assurer l'adhérence de la liaison.
Métallisation: ENEPIG ou Or Doux (pureté 99,99%) avec une épaisseur minimale de 0,1 µm est la norme.
Température: Les températures de platine varient généralement de 150°C à 250°C, ce qui est supérieur aux processus PCB standard.
Nettoyage: Le nettoyage au plasma est obligatoire pour éliminer les contaminants organiques avant le câblage.
Validation: Les tests de traction de fil doivent respecter les normes MIL-STD-883 (généralement > 3g pour un fil d'or de 1 mil).

Quand le câblage par fil sur céramique s'applique (et quand il ne s'applique pas)

Comprendre les contraintes physiques des substrats céramiques est la première étape pour déterminer la viabilité du processus.

Quand utiliser le câblage par fil sur céramique :

Applications à Haute Puissance: Lorsque le dispositif nécessite une dissipation thermique efficace (par exemple, modules IGBT, LED de puissance) que les PCB organiques ne peuvent pas gérer.
Scellement Hermétique: Pour les capteurs aérospatiaux ou médicaux nécessitant un scellement étanche au vide où le dégazage des colles ou stratifiés organiques est inacceptable.
RF haute fréquence : Lorsque la perte de signal doit être minimisée ; la céramique (alumine ou nitrure d'aluminium) offre des propriétés diélectriques supérieures à celles des stratifiés standard.
Environnements à haute température : Lorsque l'environnement de fonctionnement dépasse 150°C, où les joints de soudure traditionnels pourraient se fatiguer ou le FR4 pourrait se délaminer.
Miniaturisation : Lorsque les exigences de pas sont inférieures à 100 µm, nécessitant une technologie de puce sur carte (COB) directe sans boîtiers encombrants.

Quand NE PAS l'utiliser :

Électronique grand public sensible aux coûts : Si un assemblage SMT standard sur FR4 est suffisant, la céramique ajoute des coûts de matériaux et de traitement inutiles.
Panneaux grand format : Les substrats céramiques sont fragiles et sujets à la déformation ou à la fissuration pour des tailles supérieures à 4x4 pouces, ce qui rend leur manipulation difficile.
Applications flexibles : La céramique n'a aucune flexibilité ; toute contrainte mécanique ou flexion fracturera immédiatement le substrat.
Composants soudables standard : Si la conception n'utilise que des composants encapsulés (SOIC, QFN) avec des broches standard, le wire bonding ajoute une étape de processus redondante et coûteuse.

Règles et spécifications

Une fois la décision d'utiliser le wire bonding sur céramique confirmée, la conception doit respecter des tolérances de fabrication spécifiques. S'écarter de ces règles est la cause principale des défaillances de type "non-stick on pad" (NSOP).

Règle	Valeur/Plage recommandée	Pourquoi c'est important	Comment vérifier	Si ignoré
Rugosité de surface (Ra)	< 0.3 µm (Film épais) < 0.1 µm (Film mince)	Les surfaces rugueuses empêchent le capillaire de former un composé intermétallique (IMC) uniforme.	Scan au profilomètre ou AFM.	Liaisons faibles, décollement immédiat pendant les tests.
Épaisseur de placage or	0.1 µm – 0.5 µm (Or mou)	L'or agit comme couche de déformation. Trop fin expose le nickel ; trop épais gaspille les coûts.	Fluorescence X (XRF).	Trop fin : Oxydation/NSOP. Trop épais : Dépassement des coûts.
Épaisseur de la barrière de nickel	3.0 µm – 6.0 µm	Empêche la migration du cuivre dans la couche d'or, ce qui empoisonne la liaison.	XRF ou analyse en coupe.	La diffusion entraîne une dégradation de la liaison au fil du temps.
Taille du plot de liaison (Min)	70 µm x 70 µm (pour fil de 25µm)	Fournit une marge pour la précision de placement et l'"écrasement" de la bille de liaison.	Mesure optique (AOI).	Les plots de liaison hors du pad provoquent des courts-circuits ou des circuits ouverts.
Pas des plots de liaison	> 80 µm (Standard) > 60 µm (Pas fin)	Empêche l'interférence capillaire avec les fils ou boucles adjacents.	Vérification des règles de conception CAO (DRC).	Courts-circuits entre les fils de liaison adjacents.
Température de la platine	150°C – 250°C	La céramique agit comme un dissipateur thermique ; la chaleur est nécessaire pour ramollir le fil et le plot pour la diffusion.	Thermocouple sur la surface de la pince.	Trop basse : Aucune formation de liaison. Trop haute : Oxydation du leadframe/époxy.
Puissance Ultrasonique	60 – 120 mW (Variable)	Fournit l'énergie de frottement pour briser les oxydes et fusionner les métaux.	Outil de calibration du transducteur.	Faible: NSOP. Élevée: Cratering (fissuration de la céramique sous le pad).
Force de Liaison	15g – 40g (pour fil de 1 mil)	Assure un contact intime entre le fil et le pad pendant le frottement ultrasonique.	Calibration du dynamomètre.	Faible: Liaison faible. Élevée: Déformation excessive/fissures au talon.
Nettoyage Plasma	Mélange Argon/Oxygène, 2-5 min	Élimine les résidus organiques (saignement d'époxy, huiles de doigts) de la surface dorée.	Test de l'angle de contact de l'eau.	Taux élevés de NSOP dus à une contamination invisible.
Adhésif de Fixation de Puce	Faible dégazage, rempli d'Ag	Prévient la contamination des pads de liaison pendant le processus de durcissement.	Test de résistance au cisaillement.	Vides sous la puce, mauvais transfert thermique, contamination du pad.
Hauteur de Boucle du Fil	> 100 µm	Empêche le fil de toucher le bord de la puce (court-circuit).	Inspection optique latérale.	Courts-circuits au bord de la puce.
Matériau du Substrat	96% Al2O3 ou AlN	Détermine la conductivité thermique et la correspondance du CTE avec la puce.	Certification de la fiche technique du matériau.	Le désaccord thermique provoque la fissuration de la puce ou la fatigue de la liaison.

Étapes de mise en œuvre

L'exécution d'un processus fiable de soudage de fils sur céramique nécessite une séquence stricte d'opérations. Chaque étape s'appuie sur la précédente, et le fait de sauter des points de validation entraînera une perte de rendement en fin de ligne. 1. Préparation et Nettoyage du Substrat

Action: Nettoyer le substrat céramique à l'aide d'un lavage au solvant suivi d'un nettoyage plasma (Argon ou Argon/Oxygène).
Paramètre Clé: Temps de plasma (généralement 3-5 minutes) et puissance (300W).
Contrôle d'Acceptation: Un angle de contact de l'eau < 10 degrés indique une surface propre, à haute énergie, prête pour le collage.

2. Fixation de la Puce (Die Bonding)

Action: Distribuer l'adhésif ou placer la préforme de soudure, puis placer la puce sur le plot céramique.
Paramètre Clé: Contrôle de l'épaisseur de la ligne de liaison (BLT) (généralement 25-50 µm).
Contrôle d'Acceptation: Inspection visuelle pour le saignement d'époxy. Le saignement sur les plots de liaison filaire empêchera le collage ultérieur. Se référer aux directives de fixation de la puce sur substrats céramiques pour la sélection spécifique de l'adhésif.

3. Durcissement / Refusion

Action: Durcir l'adhésif ou refondre la soudure.
Paramètre Clé: Le profil de refusion et thermique pour la céramique doit être contrôlé pour éviter un choc thermique à la céramique (taux de rampe < 3°C/sec).
Contrôle d'Acceptation: Test de cisaillement de la puce sur une unité échantillon pour vérifier l'intégrité mécanique (> 1 kg de force selon la taille de la puce).

4. Configuration et Calibrage de la Machine à Souder les Fils

Action: Installer le capillaire et la bobine de fil corrects (par exemple, fil d'or de 1 mil). Charger le profil thermique spécifique pour la masse céramique.
Paramètre Clé: Température de l'étage réglée à 150°C - 200°C. La céramique nécessite un temps de trempage plus long pour atteindre l'équilibre par rapport au FR4.
Contrôle d'acceptation : Effectuer un test de "bond-off" sur un coupon pour vérifier la planéité de l'outil et le couplage ultrasonique.

5. Premier Bond (Bond à Bille sur le Die)

Action : Le capillaire descend, applique une force et de l'énergie ultrasonique pour former le bond à bille sur le die semi-conducteur.
Paramètre clé : Taille de la Bille à Air Libre (FAB) (typiquement 2 à 2,5 fois le diamètre du fil).
Contrôle d'acceptation : Vérification visuelle des bonds en "club de golf" ou des billes décentrées.

6. Bouclage (Looping)

Action : Le capillaire monte et se déplace vers le deuxième emplacement de bond, formant la boucle du fil.
Paramètre clé : Hauteur de la boucle et facteur de forme (mouvement inverse) pour éviter l'oscillation du fil.
Contrôle d'acceptation : S'assurer qu'aucun affaissement du fil ne touche le bord du die ou les fils adjacents.

7. Deuxième Bond (Bond en Coin sur la Céramique)

Action : Le capillaire fixe le fil au pad de bond en céramique. C'est l'étape la plus critique pour le bondage de fil sur céramique en raison des problèmes de rugosité de surface.
Paramètre clé : Amplitude et durée du "scrub". Une énergie plus élevée est souvent nécessaire ici que sur le die.
Contrôle d'acceptation : Apparence en "queue de poisson" du bond en coin. Pas de décollement ou de soulèvement.

8. Test de Traction Destructif (sur échantillon)

Action : Utiliser un testeur de traction pour appliquer une force ascendante sur la boucle du fil jusqu'à la rupture.
Paramètre clé : Vitesse de traction et placement du crochet (au milieu de la portée).
Contrôle d'acceptation : Résistance à la traction minimale (par exemple, > 3 grammes pour un fil de 1 mil). Le mode de défaillance doit être "rupture du fil" (bon), et non "bond soulevé" (mauvais). 9. Inspection Visuelle Non Destructive
Action : Inspection Optique Automatisée (AOI) ou contrôle manuel au microscope.
Paramètre Clé : Grossissement 30x - 100x.
Contrôle d'Acceptation : Vérifier l'absence de fils manquants, de fils croisés ou de cratérisation sur les plots céramiques.

Modes de défaillance et dépannage

Lorsque le soudage de fils sur céramique échoue, la cause première est souvent attribuable à l'interface du matériau ou aux réglages d'énergie. Les ingénieurs d'APTPCB (APTPCB PCB Factory) utilisent la logique suivante pour diagnostiquer les problèmes.

1. Non-adhérence sur le plot (NSOP) - Deuxième liaison

Symptôme : Le fil se soulève du plot céramique immédiatement après la remontée du capillaire.
Causes : Contamination (saignement d'époxy, oxydation), puissance ultrasonique insuffisante, basse température de la platine ou rugosité de surface excessive.
Vérifications : Inspecter le plot pour détecter une décoloration (oxydation). Vérifier les journaux du nettoyeur plasma. Mesurer la rugosité du plot.
Correction : Augmenter légèrement la puissance/le temps des ultrasons. Nettoyer à nouveau les substrats avec du plasma.
Prévention : Mettre en œuvre des programmes de nettoyage plasma plus stricts et vérifier les profils de durcissement de l'époxy pour prévenir le dégazage.

2. Cratérisation (Fracture Céramique)

Symptôme : Le plot de liaison se décolle, emportant avec lui un morceau de céramique, ou des fissures visibles apparaissent sous la liaison.
Causes : Puissance ultrasonique ou force de liaison excessives. La céramique est fragile et ne peut pas absorber les chocs comme le FR4.
Vérifications : Rechercher des "creux" dans la céramique sous le plot métallique.
Correction: Réduire la force de liaison et la vitesse d'impact. Utiliser un paramètre de "soft landing" (atterrissage en douceur) si disponible.
Prévention: Optimiser la fenêtre de liaison (DOE) pour trouver la limite inférieure d'énergie requise pour l'adhérence.

3. Fissures au Talon

Symptôme: Le fil se rompt au niveau du "talon" de la deuxième liaison lors du test de traction.
Causes: Outil capillaire usé, déformation excessive du fil ou angles de boucle trop raides.
Vérifications: Inspecter la pointe du capillaire pour l'usure/l'accumulation. Mesurer la largeur de la liaison (écrasement).
Correction: Remplacer le capillaire. Réduire la force de liaison. Ajuster la trajectoire de la boucle pour réduire la tension au talon.
Prévention: Établir un calendrier de remplacement du capillaire basé sur le nombre de liaisons (par exemple, tous les 500 000 liaisons).

4. Bille Soulevée (Première Liaison)

Symptôme: La liaison à bille se détache de la surface de la puce.
Causes: Défaillance intermétallique, contamination sur la puce ou taille incorrecte de la Bille à Air Libre (FAB).
Vérifications: Inspecter le dessous de la bille soulevée. Si elle est lisse, aucun intermétallique ne s'est formé.
Correction: Augmenter la force/puissance de liaison initiale. Vérifier la compatibilité de la métallisation de la puce (Aluminium vs Or).
Prévention: S'assurer que le stockage des wafers est purgé à l'azote pour prévenir l'oxydation de l'aluminium sur les plots de liaison.

5. Balayage / Affaissement du Fil

Symptôme: Les fils se déplacent latéralement et se touchent, ou s'affaissent sur le bord de la puce.
Causes: Boucles de fil longues, paramètres de boucle incorrects ou turbulence du flux d'air pendant l'encapsulation.
Vérifications: Mesurer le rapport hauteur de boucle / longueur de fil.
Correction : Utiliser un fil plus rigide (or dopé) ou raccourcir la distance de la boucle. Ajuster les réglages de "mouvement inverse".
Prévention : Concevoir les plots de liaison plus près de la puce pour minimiser la longueur du fil (< 3mm recommandé).

6. Faible résistance au cisaillement

Symptôme : Les billes de soudure échouent aux tests de cisaillement en dessous des spécifications, même si elles adhèrent visuellement.
Causes : Température insuffisante (IMC sous-polymérisé), géométrie de capillaire incorrecte.
Vérifications : Vérifier que la température de la platine atteint réellement la surface du substrat (la céramique dissipe rapidement la chaleur).
Correction : Augmenter le temps de trempage avant le bonding. Augmenter la température de la platine.
Prévention : Utiliser la cartographie thermique pour s'assurer que la zone de liaison est à la température cible, et pas seulement le bloc chauffant.

Décisions de conception

Le dépannage ramène souvent aux choix de conception initiaux. Lors de la planification d'un projet avec APTPCB, tenez compte de ces décisions fondamentales concernant les matériaux.

Sélection des matériaux : Alumine (Al2O3) vs. Nitrure d'aluminium (AlN)

Alumine (96%) : Le choix standard. Bonne isolation électrique, conductivité thermique modérée (24 W/mK). Convient à la plupart des capteurs et circuits hybrides. Plus facile à lier grâce à des procédés de film épais matures.
Nitrure d'aluminium (AlN) : Hautes performances. Excellente conductivité thermique (170+ W/mK), correspondant étroitement au CTE du silicium. Essentiel pour les IGBT de forte puissance ou les amplificateurs RF. Cependant, l'AlN est plus coûteux et nécessite une métallisation spécialisée (DBA/DBC) qui peut être plus difficile à souder par fil si la rugosité de surface n'est pas contrôlée.

Métallisation : Couche épaisse vs. Couche mince

Couche épaisse : La pâte est sérigraphiée et cuite. La surface résultante est plus rugueuse (Ra 0.3-0.5 µm). Nécessite des paramètres de liaison agressifs. Coût inférieur.
Couche mince : Métal pulvérisé ou évaporé. Très lisse (Ra < 0.1 µm). Idéal pour le soudage par fil à pas fin et la RF haute fréquence. Coût plus élevé mais rendement plus élevé pour le soudage par fil.

Géométrie du Pad

Taille : Bien que 70µm soit un minimum, 100µm x 100µm est préféré pour des fenêtres de processus robustes.
Dégagement : Assurez-vous que le "chemin de déplacement" du capillaire ne heurte pas les composants. Les circuits céramiques ont souvent des condensateurs hauts ; la tête de la bondeuse a besoin de dégagement.

FAQ

1. Puis-je utiliser du fil d'aluminium sur des substrats céramiques ? Oui, le soudage par fil en aluminium (wedge bonding) est courant pour les applications de puissance (fil épais) et le COB. Il est effectué à température ambiante (ultrasonique uniquement), ce qui évite la chaleur élevée requise pour le soudage par fil d'or. Cependant, la métallisation du pad doit être compatible (généralement Aluminium ou Nickel-Or).

2. Quelle est la différence entre la couche épaisse et la couche mince pour le soudage par fil ? Le film mince offre une surface beaucoup plus lisse et une définition des bords plus nette, permettant des pas plus fins et des liaisons de plus grande fiabilité. Le film épais est plus rugueux et peut nécessiter des forces de liaison plus élevées, augmentant le risque de cratérisation de la céramique.

3. Pourquoi le nettoyage au plasma est-il nécessaire ? Les substrats céramiques accumulent souvent des contaminants organiques provenant du stockage ou des étapes de traitement précédentes (comme le durcissement de la fixation de la puce). Le nettoyage au plasma élimine ces couches invisibles au niveau moléculaire, augmentant considérablement la force de liaison et réduisant le NSOP.

4. En quoi le profil thermique diffère-t-il de celui du FR4 ? La céramique a une masse thermique et une conductivité élevées. Elle chauffe et refroidit plus rapidement que le FR4, mais dissipe rapidement la chaleur du site de liaison. Vous avez généralement besoin de températures de platine plus élevées (jusqu'à 250°C) et de temps de préchauffage plus longs pour garantir que le site de liaison est à la bonne température.

5. Quelle est la taille minimale de la pastille pour le câblage sur céramique ? Pour un fil standard de 1 mil (25 µm), une pastille de 70 µm x 70 µm est le minimum absolu. Pour un rendement élevé, une pastille de 100 µm x 100 µm est recommandée pour tenir compte des tolérances de placement et de l'écrasement de la bille.

6. La reprise est-elle possible sur les substrats céramiques ? Oui, mais c'est risqué. Si un fil échoue, il peut parfois être retiré et une nouvelle liaison placée sur la même pastille ("liaison de sécurité" ou liaison sur le résidu). Cependant, des tentatives de liaison répétées peuvent provoquer la cratérisation de la céramique fragile.

7. Comment prévenir la "cratérisation" sur la céramique ? La formation de cratères est causée par une énergie ultrasonique excessive ou une force d'impact qui fracture la céramique sous le plot. Pour l'éviter, optimisez les paramètres de liaison (réduisez la force/puissance), assurez-vous que la métallisation est suffisamment épaisse pour servir de tampon et utilisez une vitesse de descente contrôlée.

8. Quelle est la durée de conservation des substrats céramiques soudables? Généralement 6 à 12 mois s'ils sont stockés dans une armoire à azote ou un sac scellé sous vide. L'oxydation de la surface nickel/or au fil du temps dégradera la capacité de soudure. Si la date est dépassée, un nettoyage au plasma pourrait restaurer la capacité de soudure, mais un nouveau placage est préférable.

9. APTPCB prend-il en charge le câblage à fil épais pour l'électronique de puissance? Oui, le fil d'aluminium épais (5 mil - 20 mil) est pris en charge pour les applications à courant élevé. Cela nécessite des outils et des têtes de liaison (coin-coin) différents par rapport au câblage à fil d'or fin.

10. Comment la fixation de la puce affecte-t-elle le câblage? Si le matériau de fixation de la puce (époxy ou soudure) déborde sur les plots de liaison, la liaison échouera. De plus, si la fixation de la puce présente des vides, la puce peut vibrer pendant la liaison ultrasonique, absorbant l'énergie et provoquant une liaison faible (l'effet "puce spongieuse").

11. Quelle est l'exigence standard de résistance à la traction? Selon la norme MIL-STD-883, la résistance à la traction minimale dépend du diamètre du fil. Pour un fil d'or de 1 mil (25 µm), 3 grammes est le minimum absolu, mais un processus robuste devrait avoir une moyenne > 8 grammes.

12. Puis-je souder des fils directement sur de la céramique nue? Non. Vous devez vous lier à un pad métallisé (or, aluminium ou argent). Le fil ne peut pas fusionner avec le matériau céramique lui-même.

13. Quel est l'impact de la rugosité de surface ? La rugosité interfère avec le contact intime requis pour la diffusion atomique. Si Ra > 0,5 µm, le fil ne peut contacter que les "pics" de la surface, ce qui entraîne une faible adhérence mécanique qui cède sous les cycles thermiques.

14. Comment le délai de livraison se compare-t-il à l'assemblage PCB standard ? Le wire bonding sur céramique est un processus spécialisé. Bien que le bonding lui-même soit rapide, la configuration de l'outillage, le nettoyage au plasma et les tests rigoureux (traction/cisaillement) ajoutent du temps. Consultez notre équipe de fabrication de PCB pour des délais spécifiques.

Glossaire (termes clés)

Terme	Définition
Ball Bond	La première liaison formée lors du bonding thermosonique, en forme de bille, typiquement sur la surface de la puce.
Wedge Bond	La deuxième liaison (point de couture), aplatie et en forme de coin, typiquement sur le pad du substrat.
Capillary	La pointe de l'outil en céramique qui maintient le fil et délivre l'énergie ultrasonique.
Thermosonic	Une méthode de bonding combinant la Chaleur (Thermo), l'énergie Ultrasonique (Sonic) et la Force.
NSOP	Non-Stick On Pad (Non-adhérence sur le pad). Un mode de défaillance où le fil ne parvient pas à adhérer au substrat.
Cratering	Dommage au matériau semi-conducteur ou au substrat céramique sous le pad de liaison, généralement une fracture.
Hauteur de la boucle	La distance verticale entre la surface de la puce et le point le plus haut de la boucle du fil.
Test de cisaillement	Un test destructif appliquant une force latérale à la bille de connexion pour mesurer la force d'adhérence.
Cendrage au plasma	Un processus de nettoyage utilisant un gaz ionisé pour éliminer la matière organique des surfaces de liaison.
ENEPIG	Nickel Chimique Palladium Chimique Or par Immersion. Une finition de surface universelle excellente pour le wire bonding.
IMC	Composé Intermétallique. La couche d'alliage formée entre le fil et le métal du pad qui crée la liaison.
Extinction de flamme (EFO)	Extinction Électronique de Flamme. L'étincelle utilisée pour faire fondre la pointe du fil en une bille avant la première liaison.
Film épais	Métallisation appliquée par sérigraphie de pâte, résultant en des pistes plus épaisses et plus rugueuses.
Film mince	Métallisation appliquée par dépôt sous vide, résultant en des pistes très fines et lisses.

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Capacité de PCB céramique : PCB céramique
Inspection aux rayons X (QA wire bond / BGA) : Inspection aux rayons X
Directives DFM : Directives DFM

Conclusion

Le câblage par fil sur céramique est une capacité critique pour l'électronique haute fiabilité, haute puissance et RF. Il exige un changement de mentalité par rapport à l'assemblage standard sur FR4 — en priorisant la topographie de surface, la gestion thermique et le contrôle précis de l'énergie. En respectant les spécifications de rugosité (Ra < 0,3 µm) et en validant par des tests de traction rigoureux, les ingénieurs peuvent atteindre une fiabilité de qualité hermétique.

Que vous prototypiez un nouveau module RF ou que vous augmentiez la production pour l'électronique de puissance, APTPCB fournit les substrats céramiques spécialisés et le support DFM nécessaires pour assurer le succès de votre processus de câblage par fil.

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