Para ligação de fios semicondutores e evaporação de filmes finos, fio de alumínio de alta pureza com pureza de 99,99 por cento (4N) ou superior é a linha de base não negociável. Um fio 5N (99,999 por cento) reduz o crescimento intermetálico prejudicial e a corrosão na almofada de ligação, alcançando um tempo médio até a falha de mais de 1.000 horas em testes de armazenamento em alta temperatura de 200 graus C, enquanto sua tolerância de diâmetro controlada de mais ou menos 0,002 milímetros garante perfis de loop consistentes em bonders automatizados.
Graus de pureza e controle de impurezas em fio de alumínio de alta pureza
O desempenho de fio de alumínio de alta pureza é ditado pelas concentrações de oligoelementos medidas em partes por milhão. Mesmo uma única parte por milhão de certos metais pode degradar a condutividade elétrica ou promover a corrosão da almofada de ligação. A tabela abaixo categoriza os níveis de pureza padrão disponíveis de fabricantes especializados.
| Grau de Pureza | Conteúdo de alumínio (porcentagem) | Impurezas Metálicas Totais (ppm) | Aplicação Crítica |
|---|---|---|---|
| 4N | 99.99 | Menos de 100 | Evaporação geral, eletrodos capacitores |
| 5N | 99.999 | Menos de 10 | Substituição de fios de ouro e cobre, ligação IC |
| 6N | 99.9999 | Menos de 1 | Filmes supercondutores, sensores especializados |
Para a maioria das empresas de embalagens de semicondutores, Fio de alumínio de alta pureza 5N tornou-se o padrão porque contém menos de 5 ppm de cobre e ferro combinados. Isto reduz drasticamente a formação de compostos intermetálicos frágeis na interface alumínio-ouro, que é a principal causa da praga roxa e da descolagem da ligação. A etapa extra de purificação acrescenta aproximadamente 15 a 20 por cento ao custo do material em comparação com 4N, mas a melhoria na confiabilidade da ligação em ambientes de 150 graus C justifica a despesa.
Requisitos de tolerância de diâmetro e acabamento superficial
O diâmetro de fio de alumínio de alta pureza usado na colagem em cunha normalmente varia de 0,7 mil (0,018 mm) a 20 mil (0,508 mm), sendo o tamanho mais comum 1,0 mil (0,0254 mm). O fio deve ter uma tolerância de diâmetro de mais ou menos 2 por cento do valor nominal para garantir que a energia ultrassônica se acople consistentemente na almofada de ligação. Um fio que varia em mais de 0,0005 mm em um carretel criará alturas de laço e comprimentos de cauda variáveis, forçando a recalibração frequente do bonder.
O acabamento superficial é igualmente crítico. A superfície do fio deve estar livre de lascas, arranhões mais profundos que 0,5 micrômetros e lubrificante residual do processo de trefilação. Prêmio fio de alumínio de alta pureza é limpo usando um processo de solvente ultrassônico de vários estágios que reduz a contaminação superficial por carbono para menos de 5 microgramas por centímetro quadrado, garantindo resistência consistente à tração do fio e eliminando a formação de vazios de epóxi preto durante a moldagem por transferência.
Recozimento e Controle de Propriedade Mecânica
Fio de alumínio de alta pureza é fornecido em condição recozida ou trefilada, e o estado correto é determinado pelo tipo de equipamento de ligação. Dois temperamentos distintos são comumente especificados.
- Fio totalmente recozido (macio) tem um alongamento de 15 a 25 por cento e uma resistência à tração inferior a 50 MPa. Ele é comprimido uniformemente sob a ferramenta de colagem, criando uma ligação em cunha simétrica. Esta têmpera é essencial para pacotes militares e aeroespaciais de alta confiabilidade, onde a ligação deve sobreviver a ciclos térmicos de -65 graus C a 150 graus C.
- Fio trefilado retém 50 a 80 por cento do endurecimento do estiramento e tem uma resistência à tração entre 120 e 180 MPa. É usado em ligações em cunha de acesso profundo, onde o fio deve resistir à flambagem em longos vãos. No entanto, a ductilidade reduzida requer uma configuração de potência ultrassônica mais alta, o que pode criar crateras em almofadas finas se não for cuidadosamente otimizado.
Um lote de fio de alumínio de alta pureza com recozimento inconsistente pode causar uma flutuação na deformação da ligação de mais de 15% em um único carretel. Fabricantes respeitáveis testam cada carretel quanto ao alongamento e carga de ruptura usando um comprimento de medida de 250 mm a uma velocidade de teste de 25 mm por minuto, de acordo com os métodos ASTM E8, e enviam o fio com um certificado de conformidade.
Aplicações de evaporação e revestimento de filmes finos
Na deposição a vácuo, fio de alumínio de alta pureza é alimentado em um filamento de tungstênio aquecido ou em um feixe de elétrons para criar filmes finos para espelhos ópticos, eletrodos semicondutores e camadas de barreira. A geometria do fio para evaporação é normalmente 0,5 mm a 2,0 mm de diâmetro e é fornecido em comprimentos retos ou enrolados. Um fio de alumínio com pureza 4N é suficiente para a maioria dos processos de metalização porque a própria deposição fornece alguma obtenção de gases residuais, mas o fio deve estar livre de sódio e potássio, que migram rapidamente no dióxido de silício e mudam as tensões limiares do transistor.
O conteúdo total de gás de fio de alumínio de alta pureza usado para evaporação deve ser especificado como inferior a 0,1 ppm para hidrogênio e inferior a 0,5 ppm para oxigênio. O gás aprisionado causa salpicos durante a evaporação, ejetando gotículas de tamanho micrométrico do filamento que criam defeitos no filme depositado. Um fio de alumínio 5N devidamente desgaseificado não apresentará nenhuma saliência visível em uma placa de vidro quadrada de 100 mm quando evaporado a uma taxa de 5 nanômetros por segundo.
Armazenamento e manuseio para evitar a degradação da superfície
Mesmo uma pequena quantidade de umidade atmosférica ou cloro pode comprometer a aderência do fio de alumínio de alta pureza . A superfície do alumínio reage com a umidade para formar uma camada de óxido hidratado que engrossa com o tempo e evita uma boa formação intermetálica. O protocolo de armazenamento a seguir estende a vida útil de uma bobina aberta para mais de 6 meses.
- Armazene as bobinas em um gabinete purgado com nitrogênio com umidade relativa abaixo 20 por cento em todos os momentos.
- Após o uso, coloque o carretel de volta em seu saco de polietileno lacrado e esprema o excesso de ar antes de fechar o zíper.
- Não manuseie o fio com as mãos desprotegidas. As impressões digitais deixam sais de cloreto que atacam a superfície do alumínio em 24 horas à temperatura ambiente.
- Se um carretel de fio de alumínio de alta pureza foi exposto ao ar ambiente por mais de 72 horas, um teste de ligação deve ser realizado e testado para verificar uma força mínima de 5 gramas por mil de diâmetro do fio antes de liberar o lote para produção.
