Скрепление золотых проводов: Основной процесс высоконадежной упаковки светодиодов

От принципов к применению - технический анализ скрепления золотых проводов с помощью светодиодов

Введение: Как крошечные золотые проводки поддерживают "линию жизни" светодиодов?

Светодиоды (Light Emitting Diodes) лежат в основе современных технологий освещения и отображения информации, а их производительность и срок службы в значительной степени зависят от процесса упаковки. Между чипом и внешней схемой находится золотая проволока диаметром менее 1/10 человеческого волоса, отвечающая за передачу тока и обеспечение стабильной работы. Технология Gold Wire Bonding выступает в роли "невидимого стража", обеспечивающего высокую надежность светодиодов.

Однако с развитием технологий мини-светодиодов/микро-светодиодов требования к точности склеивания выросли с микрометрического до субмикрометрического уровня. Стоимость материала золотой проволоки составляет 15%-20% от общей стоимости упаковки, представляя собой двойную проблему "производительности" и "стоимости" для отрасли. Данная статья посвящена этой важнейшей технологии, раскрывающей научную логику и промышленную динамику, лежащую в ее основе.

1. Технические принципы и преимущества скрепления золотой проволокой

1. Выбор материала: Почему золото, а не медь или алюминий?

Золотая проволока не имеет себе равных в качестве связующего материала благодаря трем основным свойствам:

• Проводимость: Удельное сопротивление золота составляет всего 2,44 мкОм-см (по сравнению с 1,68 мкОм-см у меди, но при этом оно хуже сопротивляется окислению), что снижает потери при передаче тока.
• Пластичность: Золотая проволока может быть растянута до диаметра 15 мкм без разрыва, что позволяет обеспечить сверхплотную пайку (например, расстояние между мини-светодиодами <0,5 мм).
• Стабильность: Он не окисляется при экстремальных температурах от -40°C до 150°C, что исключает риск разрыва цепи из-за коррозии.

Сравнительные эксперименты показали, что светодиодные модули, скрепленные медной проволокой, после старения в течение 1000 часов при температуре 85°C/влажности 85% выходили из строя более чем в три раза чаще, чем модули с золотой проволокой (источник: Study on Semiconductor Device Reliability).

2. Реализация процесса: Точный "танец" термокомпрессии и ультразвука

• Термокомпрессионное склеивание: Под воздействием тепла (200-300°C) и давления атомы металла золотой проволоки и прокладки диффундируют и соединяются. Преимущество заключается в высокой прочности соединения, что делает его подходящим для светодиодов силового типа.
• Ультразвуковое склеивание: Высокочастотные вибрации (60-120 кГц) создают тепло за счет трения, устраняя необходимость во внешнем нагреве и предотвращая термическое повреждение чипа, что делает его идеальным для чувствительных устройств, таких как микросветодиоды.

Управление параметрами основного процесса (пример):

2. Проверка качества: "Орлиный глаз" от лаборатории до производственной линии

1. Физические методы испытаний

• Микроскопическое наблюдение: Проверка морфологии соединения (см. рис. 1), с требованиями к отсутствию трещин и равномерному сужению горловины.
• Испытания на растяжение: Согласно стандартам JEDEC, золотая проволока диаметром 25 мкм должна выдерживать растягивающее усилие ≥3gf (у некоторых марок проволочных бондеров среднее измеренное значение составляет 4,2gf).

2. Методы химического анализа

Ссылаясь на "Технологию приемочных испытаний светодиодных дисплеев", лаборатория проверила образцы светодиодов с медным напылением следующим образом:

1. Растворение кислот: Для растворения мест склеивания и извлечения металлических компонентов использовалась вода Aqua regia.
2. Обнаружение методом ICP-AES: Содержание золота составило 98,7%, а меди - 1,3%.
3. Расчет теоретической стоимости: Исходя из плотности золотой проволоки (19,3 г/см3) и диаметра (25 мкм), расчетная длина золотой проволоки для одной точки склеивания должна составлять 1,02 мм, с расхождением всего в 2,9% от эталонного значения 1,05 мм, что подтверждает использование технологии чистого золота.

Промышленное предупреждение: Некоторые компании сокращают расходы, заменяя золотую проволоку позолоченной медной, демонстрируя при этом схожие первоначальные характеристики. Однако через год скорость окисления в месте склеивания может достигать 30% (по данным выборочной проверки агентства по контролю качества в 2024 году).

3. Дилеммы стоимости и технические инновации

1. Споры о целесообразности использования альтернативных материалов

• Медные провода: Стоят всего 1/8 от стоимости золота, но требуют дополнительных покрытий для защиты (например, палладия, никеля), что увеличивает сложность процесса.
• Серебряные сплавы: Обладают лучшей проводимостью, чем золото, но склонны к обесцвечиванию, вызываемому сульфидами, и в настоящее время используются только в недорогих осветительных приборах.

2. Пути модернизации процессов

• Оборудование Precision Improvement: Точность позиционирования отечественных проволочных склеивателей повысилась с ±5 мкм (2020) до ±1 мкм (2024), а производительность склеивания превысила 99,9%.
• Технология композитного склеивания: Сварка с помощью лазера позволяет сократить время склеивания на 40%, применяется для светодиодных модулей автомобильного класса (например, задних фонарей Tesla Model 3).

4. Сценарии применения и будущие тенденции

1. Незаменим в высокотехнологичных областях

• Автомобильное освещение: В фарах Mercedes-Benz EQS используется двойное соединение золотых проводов, что обеспечивает безотказный холодный запуск при температуре -40°C.
• Микродисплеи AR/VR: Точки склеивания диаметром <5 мкм могут быть удовлетворены только с использованием требований к точности золотой проволоки.

2. Технологические перспективы

• Наноразмерные соединения: Использование нанозолотой проволоки (диаметр <100 нм) позволяет достичь сверхвысокой плотности межсоединений, поддерживающих микродисплеи с разрешением 10 000 PPI.
• Интеллектуальное обнаружение: Визуальные системы с искусственным интеллектом для анализа морфологии склеивания в режиме реального времени могут заменить 90% ручных проверок качества (согласно дорожной карте ASM на 2025 год).

Заключение: Наступательная и оборонительная стратегия" соединения золотых проводов

Несмотря на давление со стороны стоимости, благодаря своим физическим свойствам и отработанным технологическим процессам склеивание золотых проводов продолжает занимать доминирующее положение в области светодиодов высокого класса. В будущем, благодаря инновациям в области материалов (например, композитных проводов золото-серебро) и усовершенствованию оборудования, эта классическая технология может быть возрождена, продолжая освещать будущее полупроводниковой промышленности.

Вести золотой провод связывая машину

HIGHLYWIN является ведущим поставщиком проектных, инженерных и производственных решений, специализирующимся на SMT-машинах. Мы гордимся тем, что предлагаем комплексные услуги поддержки и запасные части в области SMT, что делает нас надежным поставщиком универсальных решений.

Ссылки

1. "Технология приемочных испытаний светодиодных дисплеев", Китайское издательство инспекции качества, 2023 г.
2. JEDEC JESD22-B116, Метод испытания на сдвиг проволочного соединения.
3. Отчет TrendForce "Обзор мирового рынка упаковочных материалов для светодиодов на 2025 год".