Проволочное соединение на керамике: Инженерные спецификации, этапы процесса и руководство по устранению неполадок

Краткий ответ (30 секунд)

Успешное проволочное соединение на керамике зависит от строгого контроля шероховатости поверхности, чистоты металлизации и управления тепловой энергией. В отличие от органических подложек (FR4), керамика быстро рассеивает тепло, требуя более высоких температур столика и точной калибровки ультразвуковой энергии.

Шероховатость поверхности: Должна быть Ra < 0,3 мкм (в идеале < 0,1 мкм для тонких пленок) для обеспечения адгезии соединения.
Металлизация: ENEPIG или мягкое золото (чистота 99,99%) с минимальной толщиной 0,1 мкм является стандартом.
Температура: Температура столика обычно колеблется от 150°C до 250°C, что выше, чем при стандартных процессах изготовления печатных плат.
Очистка: Плазменная очистка обязательна для удаления органических загрязнений перед соединением.
Проверка: Испытания на отрыв проволоки должны соответствовать стандартам MIL-STD-883 (обычно > 3 г для золотой проволоки толщиной 1 мил).

Когда проволочное соединение на керамике применимо (и когда нет)

Понимание физических ограничений керамических подложек является первым шагом в определении жизнеспособности процесса.

Когда использовать проволочное соединение на керамике:

Высокомощные приложения: Когда устройство требует эффективного рассеивания тепла (например, модули IGBT, мощные светодиоды), с которым не справляются органические печатные платы.
Герметичное уплотнение: Для аэрокосмических или медицинских датчиков, требующих вакуумно-плотного уплотнения, где выделение газов из органических клеев или ламинатов неприемлемо.
Высокочастотный РЧ: Когда потери сигнала должны быть минимизированы; керамика (оксид алюминия или нитрид алюминия) предлагает превосходные диэлектрические свойства по сравнению со стандартными ламинатами.
Высокотемпературные среды: Когда рабочая среда превышает 150°C, где традиционные паяные соединения могут устать или FR4 может расслоиться.
Миниатюризация: Когда требования к шагу выводов ниже 100 мкм, что требует технологии прямого монтажа кристалла на плату (COB) без громоздких корпусов.

Когда НЕ использовать:

Чувствительная к стоимости бытовая электроника: Если стандартная SMT-сборка на FR4 достаточна, керамика добавляет ненужные затраты на материалы и обработку.
Крупноформатные панели: Керамические подложки хрупкие и склонны к деформации или растрескиванию при размерах более 4x4 дюймов, что затрудняет обращение.
Гибкие применения: Керамика не обладает гибкостью; любое механическое напряжение или изгиб немедленно приведет к разрушению подложки.
Стандартные паяемые компоненты: Если в конструкции используются только корпусированные компоненты (SOIC, QFN) со стандартными выводами, проволочное соединение добавляет избыточный и дорогостоящий этап процесса.

Правила и спецификации

Как только решение об использовании проволочного соединения на керамике подтверждено, конструкция должна соответствовать определенным производственным допускам. Отклонение от этих правил является основной причиной сбоев "неприлипания к контактной площадке" (NSOP).

Правило	Рекомендуемое значение/диапазон	Почему это важно	Как проверить	Если проигнорировано
Шероховатость поверхности (Ra)	< 0.3 мкм (Толстая пленка) < 0.1 мкм (Тонкая пленка)	Шероховатые поверхности препятствуют образованию капилляром однородного интерметаллического соединения (ИМС).	Сканирование профилометром или АСМ.	Слабые соединения, немедленный отрыв при тестировании.
Толщина золотого покрытия	0.1 мкм – 0.5 мкм (Мягкое золото)	Золото действует как деформационный слой. Слишком тонкое покрытие обнажает никель; слишком толстое — приводит к перерасходу.	Рентгенофлуоресцентный анализ (РФА).	Слишком тонкое: Окисление/NSOP. Слишком толстое: Перерасход средств.
Толщина никелевого барьера	3.0 мкм – 6.0 мкм	Предотвращает миграцию меди в золотой слой, что ухудшает соединение.	РФА или анализ поперечного сечения.	Диффузия приводит к деградации соединения со временем.
Размер контактной площадки (мин.)	70 мкм x 70 мкм (для проволоки 25 мкм)	Обеспечивает запас для точности размещения и "сплющивания" шарика.	Оптическое измерение (АОИ).	Контактные площадки вне пада вызывают короткие замыкания или обрывы цепи.
Шаг контактных площадок	> 80 мкм (Стандартный) > 60 мкм (Малый шаг)	Предотвращает интерференцию капилляра с соседними проводами или петлями.	Проверка правил проектирования CAD (DRC).	Короткие замыкания между соседними соединительными проводами.
Температура столика	150°C – 250°C	Керамика действует как теплоотвод; тепло необходимо для размягчения проволоки и площадки для диффузии.	Термопара на поверхности зажима.	Слишком низкая: Отсутствие образования соединения. Слишком высокая: Окисление выводной рамки/эпоксидной смолы.
Мощность ультразвука	60 – 120 мВт (Переменная)	Обеспечивает энергию очистки для разрушения оксидов и сплавления металлов.	Инструмент для калибровки преобразователя.	Низкая: NSOP. Высокая: Кратеризация (растрескивание керамики под контактной площадкой).
Сила прижима	15г – 40г (для проволоки 1 мил)	Обеспечивает плотный контакт между проволокой и контактной площадкой во время ультразвуковой очистки.	Калибровка динамометра.	Низкая: Слабое соединение. Высокая: Чрезмерная деформация/трещины в основании.
Плазменная очистка	Смесь Аргон/Кислород, 2-5 мин	Удаляет органические остатки (выделения эпоксидной смолы, жиры от пальцев) с золотой поверхности.	Тест угла смачивания водой.	Высокие показатели NSOP из-за невидимого загрязнения.
Клей для крепления кристалла	Низкое газовыделение, с наполнителем Ag	Предотвращает загрязнение контактных площадок во время процесса отверждения.	Испытание на сдвиг.	Пустоты под кристаллом, плохая теплопередача, загрязнение контактных площадок.
Высота петли проволоки	> 100 мкм	Предотвращает касание проволокой края кристалла (короткое замыкание).	Оптический осмотр сбоку.	Короткие замыкания на краю кристалла.
Материал подложки	96% Al2O3 или AlN	Определяет теплопроводность и соответствие КТР с кристаллом.	Сертификация по техническим данным материала.	Термическое несоответствие вызывает растрескивание кристалла или усталость соединения.

Этапы реализации

Выполнение надежного процесса монтажа проволочных выводов на керамику требует строгой последовательности операций. Каждый шаг основывается на предыдущем, и пропуск точек проверки приведет к потере выхода годных изделий в конце производственной линии. 1. Подготовка и очистка подложки

Действие: Очистите керамическую подложку с помощью промывки растворителем, затем плазменной очистки (аргон или аргон/кислород).
Ключевой параметр: Время плазменной обработки (обычно 3-5 минут) и мощность (300 Вт).
Проверка приемлемости: Угол смачивания водой < 10 градусов указывает на чистую, высокоэнергетическую поверхность, готовую к соединению.

2. Крепление кристалла (Die Bonding)

Действие: Нанесите клей или поместите припойную преформу, затем установите кристалл на керамическую площадку.
Ключевой параметр: Контроль толщины клеевого шва (BLT) (обычно 25-50 мкм).
Проверка приемлемости: Визуальный осмотр на предмет вытекания эпоксидной смолы. Вытекание на контактные площадки для сварки проволокой предотвратит последующее соединение. См. рекомендации по креплению кристалла на керамических подложках для выбора конкретного клея.

3. Отверждение / Пайка оплавлением

Действие: Отвердите клей или оплавьте припой.
Ключевой параметр: Профиль оплавления и термический профиль для керамики должны контролироваться для предотвращения термического шока керамики (скорость нарастания температуры < 3°C/сек).
Проверка приемлемости: Испытание на сдвиг кристалла на образце для проверки механической целостности (> 1 кг силы в зависимости от размера кристалла).

4. Настройка и калибровка установки для сварки проволокой

Действие: Установите правильный капилляр и катушку с проволокой (например, золотая проволока 1 мил). Загрузите специфический термический профиль для керамической массы.
Ключевой параметр: Температура столика установлена на 150°C - 200°C. Керамика требует более длительного времени выдержки для достижения равновесия по сравнению с FR4.
Приемочный контроль: Выполните тест "bond-off" на образце для проверки плоскостности инструмента и ультразвуковой связи.

5. Первое соединение (шариковое соединение на кристалле)

Действие: Капилляр опускается, прикладывает силу и ультразвуковую энергию для формирования шарикового соединения на полупроводниковом кристалле.
Ключевой параметр: Размер свободного воздушного шарика (FAB) (обычно в 2-2,5 раза больше диаметра проволоки).
Приемочный контроль: Визуальная проверка на наличие соединений типа "клюшка для гольфа" или смещенных шариков.

6. Формирование петли

Действие: Капилляр поднимается и перемещается ко второму месту соединения, формируя проволочную петлю.
Ключевой параметр: Высота петли и коэффициент формы (обратное движение) для предотвращения раскачивания проволоки.
Приемочный контроль: Убедитесь, что провисание проволоки не касается края кристалла или соседних проволок.

7. Второе соединение (клиновое соединение на керамике)

Действие: Капилляр пришивает проволоку к керамической контактной площадке. Это наиболее критический этап для проволочного монтажа на керамике из-за проблем с шероховатостью поверхности.
Ключевой параметр: Амплитуда и время "скруббинга". Здесь часто требуется больше энергии, чем на кристалле.
Приемочный контроль: Внешний вид клинового соединения типа "рыбий хвост". Отсутствие отслаивания или отрыва.

8. Разрушающее испытание на отрыв (выборочная основа)

Действие: Используйте тестер отрыва для приложения восходящей силы к проволочной петле до разрушения.
Ключевой параметр: Скорость отрыва и расположение крючка (в середине пролета).
Приемочный контроль: Минимальная прочность на отрыв (например, > 3 грамма для проволоки 1 мил). Режим отказа должен быть "обрыв проволоки" (хорошо), а не "оторванное соединение" (плохо). 9. Неразрушающий Визуальный Контроль
Действие: Автоматическая оптическая инспекция (АОИ) или ручная проверка под микроскопом.
Ключевой Параметр: Увеличение 30x - 100x.
Проверка Приемки: Убедитесь в отсутствии отсутствующих проводов, перекрещенных проводов или кратеров на керамических площадках.

Режимы отказов и устранение неисправностей

Когда проволочное соединение на керамике выходит из строя, первопричина часто связана с интерфейсом материала или настройками энергии. Инженеры APTPCB (APTPCB PCB Factory) используют следующую логику для диагностики проблем.

1. Неприлипание к площадке (NSOP) - Второе соединение

Симптом: Провод отрывается от керамической площадки сразу после подъема капилляра.
Причины: Загрязнение (выделение эпоксидной смолы, окисление), недостаточная ультразвуковая мощность, низкая температура стола или чрезмерная шероховатость поверхности.
Проверки: Осмотрите площадку на предмет изменения цвета (окисления). Проверьте журналы плазменного очистителя. Измерьте шероховатость площадки.
Исправление: Немного увеличьте ультразвуковую мощность/время. Повторно очистите подложки плазмой.
Предотвращение: Внедрите более строгие графики плазменной очистки и проверьте профили отверждения эпоксидной смолы для предотвращения дегазации.

2. Кратерообразование (Разрушение керамики)

Симптом: Контактная площадка отслаивается, унося с собой кусок керамики, или под соединением появляются видимые трещины.
Причины: Чрезмерная ультразвуковая мощность или сила соединения. Керамика хрупка и не может поглощать удары, как FR4.
Проверки: Ищите "углубления" в керамике под металлической площадкой.
Исправление: Уменьшите силу сварки и скорость удара. Используйте параметр "мягкой посадки", если доступен.
Предотвращение: Оптимизируйте окно сварки (DOE), чтобы найти нижний предел энергии, необходимой для адгезии.

3. Трещины в пятке

Симптом: Проволока ломается в "пятке" второго соединения во время испытания на отрыв.
Причины: Изношенный капиллярный инструмент, чрезмерная деформация проволоки или крутые углы петли.
Проверки: Осмотрите кончик капилляра на предмет износа/накопления. Измерьте ширину соединения (сплющивание).
Исправление: Замените капилляр. Уменьшите силу сварки. Отрегулируйте траекторию петли, чтобы уменьшить натяжение в пятке.
Предотвращение: Установите график замены капилляра на основе количества соединений (например, каждые 500 тыс. соединений).

4. Отслоение шарика (первое соединение)

Симптом: Шариковое соединение отслаивается от поверхности кристалла.
Причины: Интерметаллическое разрушение, загрязнение на кристалле или неправильный размер шарика свободной подачи (FAB).
Проверки: Осмотрите нижнюю сторону отслоившегося шарика. Если она гладкая, интерметалл не образовался.
Исправление: Увеличьте начальную силу/мощность сварки. Проверьте совместимость металлизации кристалла (алюминий против золота).
Предотвращение: Убедитесь, что хранение пластин осуществляется в азотной среде для предотвращения окисления алюминия на контактных площадках.

5. Смещение / Провисание проволоки

Симптом: Проволоки смещаются в стороны и касаются друг друга, или провисают на край кристалла.
Причины: Длинные проволочные петли, неправильные параметры петли или турбулентность воздушного потока во время герметизации.
Проверки: Измерьте соотношение высоты петли к длине проволоки.
Исправление: Используйте более жесткую проволоку (легированное золото) или сократите расстояние петли. Отрегулируйте настройки "обратного движения".
Предотвращение: Размещайте контактные площадки ближе к кристаллу, чтобы минимизировать длину проволоки (< 3 мм рекомендуется).

6. Низкая прочность на сдвиг

Симптом: Шариковые соединения не проходят испытания на сдвиг ниже спецификации, даже если они визуально прилипают.
Причины: Недостаточная температура (недоотвержденный IMC), неправильная геометрия капилляра.
Проверки: Убедитесь, что температура столика действительно достигает поверхности подложки (керамика быстро рассеивает тепло).
Исправление: Увеличьте время выдержки перед соединением. Увеличьте температуру столика.
Предотвращение: Используйте тепловое картирование, чтобы убедиться, что область соединения находится при целевой температуре, а не только нагревательный блок.

Проектные решения

Устранение неполадок часто возвращает к первоначальным проектным решениям. При планировании проекта с APTPCB рассмотрите эти фундаментальные решения по выбору материалов.

Выбор материала: Оксид алюминия (Al2O3) против Нитрида алюминия (AlN)

Оксид алюминия (96%): Стандартный выбор. Хорошая электрическая изоляция, умеренная теплопроводность (24 Вт/мК). Подходит для большинства датчиков и гибридных схем. Легче соединять благодаря зрелым толстопленочным процессам.
Нитрид алюминия (AlN): Высокая производительность. Отличная теплопроводность (170+ Вт/мК), близко соответствующая КТР кремния. Необходим для мощных IGBT или ВЧ-усилителей. Однако AlN дороже и требует специализированной металлизации (DBA/DBC), которую может быть сложнее проволочно-соединять, если не контролируется шероховатость поверхности.

Металлизация: Толстопленочная против Тонкопленочной

Толстопленочная: Паста наносится методом трафаретной печати и обжигается. Получающаяся поверхность более шероховатая (Ra 0.3-0.5 мкм). Требует агрессивных параметров соединения. Более низкая стоимость.
Тонкопленочная: Напыленный или испаренный металл. Очень гладкая (Ra < 0.1 мкм). Идеально подходит для проволочного соединения с малым шагом и высокочастотных ВЧ-приложений. Более высокая стоимость, но более высокая производительность для проволочного соединения.

Геометрия контактной площадки

Размер: Хотя 70 мкм является минимумом, 100 мкм x 100 мкм предпочтительнее для надежных технологических окон.
Зазор: Убедитесь, что "путь перемещения" капилляра не задевает компоненты. Керамические схемы часто имеют высокие конденсаторы; головке бондера требуется зазор.

Часто задаваемые вопросы

1. Могу ли я использовать алюминиевую проволоку на керамических подложках? Да, алюминиевое клиновое соединение распространено для силовых применений (толстая проволока) и COB. Оно выполняется при комнатной температуре (только ультразвук), что позволяет избежать высокой температуры, необходимой для золотого соединения. Однако металлизация контактной площадки должна быть совместимой (обычно алюминий или никель-золото).

2. В чем разница между толстопленочной и тонкопленочной технологиями для проволочного соединения? Тонкая пленка обеспечивает гораздо более гладкую поверхность и более четкое определение краев, что позволяет использовать более мелкий шаг и более надежные соединения. Толстая пленка более шероховатая и может требовать более высоких усилий при соединении, увеличивая риск образования кратеров в керамике.

3. Почему необходима плазменная очистка? Керамические подложки часто накапливают органические загрязнения при хранении или на предыдущих этапах обработки (например, при отверждении адгезива для кристалла). Плазменная очистка удаляет эти невидимые слои на молекулярном уровне, значительно увеличивая прочность соединения и снижая NSOP.

4. Чем термический профиль отличается от FR4? Керамика обладает высокой тепловой массой и проводимостью. Она нагревается и остывает быстрее, чем FR4, но быстро отводит тепло от места соединения. Обычно требуются более высокие температуры столика (до 250°C) и более длительное время предварительного нагрева для обеспечения правильной температуры в месте соединения.

5. Каков минимальный размер контактной площадки для проволочного монтажа на керамике? Для стандартного провода 1 мил (25 мкм) контактная площадка размером 70 мкм x 70 мкм является абсолютным минимумом. Для высокой производительности рекомендуется 100 мкм x 100 мкм, чтобы учесть допуски на размещение и деформацию шарика.

6. Возможна ли доработка керамических подложек? Да, но это рискованно. Если провод выходит из строя, его иногда можно удалить и установить новое соединение на ту же контактную площадку ("защитное соединение" или соединение поверх остатка). Однако повторные попытки соединения могут вызвать образование кратеров в хрупкой керамике.

7. Как предотвратить "кратерообразование" на керамике? Образование кратеров вызвано чрезмерной ультразвуковой энергией или ударной силой, разрушающей керамику под контактной площадкой. Чтобы предотвратить это, оптимизируйте параметры соединения (уменьшите силу/мощность), убедитесь, что металлизация достаточно толстая, чтобы действовать как буфер, и используйте контролируемую скорость опускания.

8. Каков срок годности керамических подложек, пригодных для бондирования? Обычно от 6 до 12 месяцев при хранении в азотном шкафу или вакуумно-герметичном пакете. Окисление никель-золотой поверхности со временем ухудшит способность к бондированию. Если срок годности истек, плазменная очистка может восстановить способность к бондированию, но предпочтительнее свежее покрытие.

9. Поддерживает ли APTPCB бондирование толстой проволокой для силовой электроники? Да, толстая алюминиевая проволока (5 мил - 20 мил) поддерживается для сильноточных применений. Это требует других инструментов и бонд-головок (клин-клин) по сравнению с бондированием тонкой золотой проволокой.

10. Как крепление кристалла влияет на бондирование проволокой? Если материал крепления кристалла (эпоксидная смола или припой) растекается по контактным площадкам, бондирование не удастся. Кроме того, если в креплении кристалла есть пустоты, кристалл может вибрировать во время ультразвукового бондирования, поглощая энергию и вызывая слабое соединение (эффект "губчатого кристалла").

11. Каково стандартное требование к прочности на отрыв? Согласно MIL-STD-883, минимальная прочность на отрыв зависит от диаметра проволоки. Для золотой проволоки диаметром 1 мил (25 мкм) 3 грамма — это абсолютный минимум, но надежный процесс должен в среднем давать > 8 граммов.

12. Могу ли я бондировать проволоку непосредственно на голую керамику? Нет. Вы должны припаиваться к металлизированной площадке (золото, алюминий или серебро). Провод не может сплавляться с самим керамическим материалом.

13. Каково влияние шероховатости поверхности? Шероховатость препятствует тесному контакту, необходимому для атомной диффузии. Если Ra > 0,5 мкм, провод может контактировать только с "пиками" поверхности, что приводит к слабому механическому сцеплению, которое разрушается при термическом циклировании.

14. Как соотносятся сроки выполнения заказа со стандартной сборкой печатных плат? Проволочное соединение на керамике — это специализированный процесс. Хотя само соединение выполняется быстро, настройка инструмента, плазменная очистка и строгие испытания (на отрыв/сдвиг) добавляют времени. Обратитесь к нашей команде по производству печатных плат для получения конкретных сроков выполнения заказа.

Глоссарий (ключевые термины)

Термин	Определение
Ball Bond	Первое соединение, сформированное при термозвуковом соединении, имеет форму шарика, обычно на поверхности кристалла.
Wedge Bond	Второе соединение (стежок), сплющенное и имеющее форму клина, обычно на площадке подложки.
Capillary	Керамический наконечник инструмента, который удерживает провод и передает ультразвуковую энергию.
Thermosonic	Метод соединения, сочетающий тепло (термо), ультразвуковую энергию (звук) и силу.
NSOP	Non-Stick On Pad (Неприлипание к площадке). Режим отказа, при котором провод не прилипает к подложке.
Cratering	Повреждение полупроводникового или керамического материала подложки под контактной площадкой, обычно в виде трещины.
Высота петли	Вертикальное расстояние от поверхности кристалла до самой высокой точки проволочной петли.
Испытание на сдвиг	Разрушающее испытание, при котором к шариковому контакту прикладывается боковая сила для измерения прочности адгезии.
Плазменное травление	Процесс очистки с использованием ионизированного газа для удаления органических веществ с поверхностей соединения.
ENEPIG	Химическое никелирование, химическое палладирование, иммерсионное золочение. Универсальное покрытие поверхности, отлично подходящее для проволочного монтажа.
IMC	Интерметаллическое соединение. Слой сплава, образующийся между проволокой и металлом контактной площадки, который создает соединение.
Отключение пламени (EFO)	Электронное отключение пламени. Искра, используемая для расплавления кончика проволоки в шарик перед первым соединением.
Толстая пленка	Металлизация, нанесенная методом трафаретной печати пастой, что приводит к более толстым, шероховатым дорожкам.
Тонкая пленка	Металлизация, нанесенная методом вакуумного напыления, что приводит к очень тонким, гладким дорожкам.

Связанные страницы APTPCB

Возможности керамических печатных плат: Керамические печатные платы
Рентгеновский контроль (контроль качества проволочного монтажа / BGA): Рентгеновский контроль
Рекомендации DFM: Рекомендации DFM

Заключение

Монтаж проволочных выводов на керамике является критически важной возможностью для высоконадежной, мощной и ВЧ-электроники. Он требует изменения мышления по сравнению со стандартной сборкой на FR4 — отдавая приоритет топографии поверхности, тепловому менеджменту и точному контролю энергии. Соблюдая спецификации по шероховатости (Ra < 0,3 мкм) и подтверждая их строгими испытаниями на отрыв, инженеры могут достичь герметичной надежности.

Независимо от того, разрабатываете ли вы прототип нового ВЧ-модуля или масштабируете производство силовой электроники, APTPCB предоставляет специализированные керамические подложки и поддержку DFM, необходимые для обеспечения успеха вашего процесса монтажа проволочных выводов.

Для подробного обзора вашей керамической структуры и выбора металлизации свяжитесь с нашей инженерной командой сегодня.

Request a DFM Review & Quote