Ligação de fios de ouro: O processo principal da embalagem de LED de alta fiabilidade

Dos princípios às aplicações - Análise técnica da ligação de fios de ouro com chumbo

Introdução: Como é que os minúsculos fios de ouro suportam a "linha da vida" dos LEDs?

Os LED (díodos emissores de luz) estão no centro das modernas tecnologias de iluminação e de visualização, sendo que o seu desempenho e vida útil dependem fortemente dos processos de embalagem. Entre o chip e o circuito externo encontra-se um fio de ouro com um diâmetro inferior a 1/10 de um cabelo humano, responsável pela transmissão de corrente e por assegurar um funcionamento estável. A tecnologia Gold Wire Bonding actua como o "guardião invisível", garantindo uma elevada fiabilidade nos LEDs.

No entanto, com a explosão das tecnologias Mini LED/Micro LED, os requisitos de precisão da ligação evoluíram de níveis micrométricos para níveis submicrométricos. O custo do material do fio de ouro representa 15%-20% do custo total da embalagem, apresentando um duplo desafio de "desempenho" e "custo" para a indústria. Este artigo aprofunda esta tecnologia crítica, revelando a lógica científica e a dinâmica industrial que lhe está subjacente.

1. Princípios técnicos e vantagens da ligação de fios de ouro

1. Seleção do material: Porquê ouro em vez de cobre ou alumínio?

O fio de ouro é incomparável como material de ligação devido a três propriedades principais:

• Condutividade: O ouro tem uma resistividade de apenas 2,44 μΩ-cm (em comparação com 1,68 μΩ-cm para o cobre, mas com uma menor resistência à oxidação), reduzindo as perdas de transmissão de corrente.
• Ductilidade: O fio de ouro pode ser esticado até um diâmetro de 15μm sem quebrar, acomodando requisitos de soldadura ultra-densos (por exemplo, espaçamento de Mini LED <0,5 mm).
• Estabilidade: Não oxida a temperaturas extremas que vão de -40°C a 150°C, evitando o risco de interrupções do circuito devido à corrosão.

Experiências comparativas mostram que os módulos LED ligados com fio de cobre apresentaram uma taxa de falha mais de três vezes superior à dos módulos com fio de ouro após um envelhecimento de 1000 horas a 85°C/85% de humidade (fonte: Study on Semiconductor Device Reliability).

2. Realização do processo: A "dança" precisa da termocompressão e da ultrassonografia

• Colagem por termocompressão: Ao aplicar calor (200-300°C) e pressão, os átomos do fio de ouro e do metal da almofada difundem-se e unem-se. A vantagem reside na sua elevada força de ligação, tornando-o adequado para LEDs de potência.
• Colagem por ultra-sons: As vibrações de alta frequência (60-120 kHz) criam calor por fricção, eliminando a necessidade de aquecimento externo e evitando danos térmicos no chip, o que o torna ideal para dispositivos sensíveis como os micro LED.

Controlo dos parâmetros do processo principal (exemplo):

2. Verificação da qualidade: O "olho de águia" do laboratório para a linha de produção

1. Métodos de ensaio físico

• Observação Microscópica: Inspeção da morfologia da ligação (ver Figura 1), com requisitos para a ausência de fissuras e pescoços uniformemente apertados.
• Ensaio de tração: De acordo com as normas JEDEC, um fio de ouro de 25μm deve suportar uma força de tração de ≥3gf (os ligadores de fios de algumas marcas têm um valor médio medido de 4,2gf).

2. Métodos de análise química

Referindo-se à "Tecnologia de Teste de Aceitação de Ecrãs LED", um laboratório verificou as amostras de LED com dopagem de cobre suspeitas da seguinte forma:

1. Dissolução ácida: A água régia foi utilizada para dissolver os pontos de ligação e extrair os componentes metálicos.
2. Deteção ICP-AES: O teor de ouro foi medido em 98,7%, com cobre em 1,3%.
3. Cálculo do valor teórico: Com base na densidade do fio de ouro (19,3g/cm3) e no diâmetro (25μm), o comprimento calculado do fio de ouro com um único ponto de ligação deve ser de 1,02 mm, com uma discrepância de apenas 2,9% em relação ao valor de referência de 1,05 mm, confirmando a utilização da tecnologia de ouro puro.

Aviso do sector: Algumas empresas reduzem os custos substituindo o fio de ouro por fio de cobre banhado a ouro, apresentando um desempenho inicial semelhante. No entanto, após um ano, as taxas de oxidação no ponto de ligação podem atingir 30% (de acordo com dados de amostragem de uma agência de inspeção de qualidade em 2024).

3. Dilemas de custos e inovações técnicas

1. Controvérsias sobre a viabilidade de materiais alternativos

• Fios de cobre: Custam apenas 1/8 do custo do ouro, mas requerem revestimentos adicionais para proteção (por exemplo, paládio, níquel), aumentando a complexidade do processo.
• Ligas de prata: Oferecem melhor condutividade do que o ouro, mas são propensos à descoloração induzida por sulfuretos, sendo atualmente utilizados apenas em aplicações de iluminação de gama baixa.

2. Vias de atualização dos processos

• Melhoria da precisão do equipamento: A precisão de posicionamento dos ligadores de fios domésticos melhorou de ±5μm (2020) para ±1μm (2024), alcançando rendimentos de ligação superiores a 99,9%.
• Tecnologia de colagem de compósitos: A soldadura assistida por laser pode reduzir o tempo de ligação em 40%, aplicada a módulos LED para automóveis (por exemplo, luzes traseiras do Tesla Model 3).

4. Cenários de aplicação e tendências futuras

1. Indispensável nos domínios de topo de gama

• Iluminação automóvel: Os faróis do Mercedes-Benz EQS utilizam uma ligação dupla de fios de ouro para garantir arranques a frio a -40°C sem falhas.
• Microdisplays AR/VR: Os pontos de ligação com diâmetros <5μm só podem ser satisfeitos utilizando os requisitos de precisão do fio de ouro.

2. Perspectivas tecnológicas

• Ligação em nanoescala: Utilização de fio de nano-ouro (diâmetro <100 nm) para obter interligações de densidade ultra elevada, suportando micro ecrãs de 10 000 PPI.
• Deteção inteligente: Os sistemas visuais de IA para análise em tempo real da morfologia da ligação poderão substituir 90% das inspecções de qualidade manuais (com base no roteiro da ASM para 2025).

Conclusão: A "estratégia ofensiva e defensiva" da ligação de fios de ouro

Apesar das pressões sobre os custos, a ligação de fios de ouro continua a manter uma posição dominante nos campos de LED de alta qualidade devido às suas propriedades físicas e processos maduros. No futuro, através de inovações de materiais (como fios compostos de ouro e prata) e inteligência de equipamento, esta tecnologia clássica pode ser revitalizada, continuando a iluminar o futuro da indústria de semicondutores.

Máquina de ligação de fios de ouro com LED

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Referências

1. "Tecnologia de ensaio de aceitação de ecrãs LED", China Quality Inspection Publishing House, 2023.
2. JEDEC JESD22-B116, Método de ensaio de cisalhamento de ligação de fios.
3. Relatório da TrendForce "2025 Global LED Packaging Materials Market Outlook".