Nghiên cứu Khoa học

Kỹ thuật kết nối Wire Bonding

1. Bản chất và vai trò chiến lược của Wire Bonding trong hệ sinh thái bán dẫn

          Wire Bonding là kỹ thuật kết nối liên tầng phổ biến nhất trong công nghiệp đóng gói (Packaging), đóng vai trò là "cầu nối" vật lý và điện tử giữa các Bond Pad trên vi mạch (Die) với các chân chì của khung dẫn (Leadframe) hoặc các đường mạch trên chất nền (Substrate). Về mặt kỹ thuật, đây là quá trình hàn pha rắn (solid-state welding) dựa trên sự kết hợp của nhiệt độ (Thermal), áp suất (Compression) và năng lượng siêu âm (Ultrasonic). Mặc dù các công nghệ tiên tiến như Flip-Chip hay TSV (Through-Silicon Via) đang phát triển mạnh cho các dòng chip hiệu năng cao, Wire Bonding vẫn giữ vững vị thế thống trị với hơn 80% thị phần nhờ tính linh hoạt cực cao trong thiết kế (không cần thay đổi mask kim loại khi đổi sơ đồ nối dây), chi phí vận hành thấp và độ tin cậy đã được kiểm chứng qua nhiều thập kỷ. Đối với một sinh viên ngành thiết kế vi mạch, việc hiểu rõ Wire Bonding là nền tảng để hiện thực hóa các bản vẽ từ môi trường mô phỏng sang sản phẩm thực tế có khả năng vận hành bền bỉ.

2. Phân loại công nghệ và sự chuyển dịch vật liệu dẫn điện

          Trong thực tế sản xuất, kỹ thuật này được chia thành hai nhánh chính dựa trên hình dáng mối nối và công cụ sử dụng: Ball Bonding (hàn bi) và Wedge Bonding (hàn nêm). Ball Bonding sử dụng một mao quản (Capillary) để tạo viên bi nóng chảy bằng tia điện tử, cho phép kết nối đa hướng với tốc độ cực nhanh, thường dùng cho dây Vàng (Au) hoặc Đồng (Cu). Ngược lại, Wedge Bonding sử dụng công cụ hình nêm ép dây (thường là Nhôm - Al) theo chiều ngang, rất hiệu quả cho các chip có khoảng cách chân (Pitch) siêu nhỏ hoặc các ứng dụng công suất lớn yêu cầu dải dây dẹt (Ribbon). Sự chuyển dịch vật liệu từ dây Vàng sang dây Đồng đang là một xu hướng lớn nhằm tối ưu hóa chi phí và cải thiện độ dẫn điện, tuy nhiên nó đặt ra yêu cầu khắt khe hơn về môi trường hàn (cần khí bảo vệ để tránh oxy hóa) và độ bền của lớp Pad trên Silicon do dây đồng có độ cứng cơ học cao hơn, dễ gây ra hiện tượng nứt vỡ (Pad cratering) nếu không được tính toán kỹ lưỡng.

3. Những lưu ý trọng yếu trong thiết kế Layout và kiểm soát rủi ro

          Dưới góc độ của một kỹ sư Layout Design, Wire Bonding không chỉ là việc nối các đường chỉ mà là một bài toán tối ưu hóa không gian và vật lý. Thứ nhất, việc xác định Pad Pitch (khoảng cách giữa các pad) và Pad Size phải tuân thủ nghiêm ngặt Design Rules của nhà máy đóng gói (OSAT) để tránh hiện tượng chạm chập khi dây bị uốn cong. Thứ hai, hiện tượng Wire Sweep (dây bị xô lệch khi đổ nhựa Epoxy) là một rủi ro lớn có thể gây ngắn mạch bên trong IC; điều này đòi hỏi Designer phải tính toán chiều dài dây tối ưu và hướng dòng chảy của vật liệu đóng gói. Cuối cùng, đối với các thiết kế công suất cao, việc sử dụng nhiều dây nối song song (Multi-stitch) là bắt buộc để giảm điện trở ký sinh và quản lý nhiệt độ, tránh hiện tượng cháy đứt dây (Fusing) khi dòng điện vượt ngưỡng. Việc nắm vững các bài kiểm tra chất lượng như Wire Pull Test (kéo dây) hay Ball Shear Test (đẩy bi) sẽ giúp kỹ sư thiết kế dự đoán được các điểm yếu cơ học và tối ưu hóa độ bền cho toàn bộ hệ thống vi mạch ngay từ giai đoạn sơ đồ nguyên lý.

 

Các tin khác

• Giới thiệu về hệ thống cảnh báo sạt lở đất
• Chương trình điều khiển áp suất cho bể cá
• Ứng dụngXử lý ảnh trong thiết kế hệ thống điều khiển đèn giao thông thông minh
• Hướng dẫn lập trình code cho cửa thông minh điều khiển bằng thẻ từ
• Hệ thống điều khiển tấm pin mặt trời để tối ưu thu năng lượng