Pour la liaison de fils semi-conducteurs et l'évaporation en couche mince, fil d'aluminium de haute pureté avec une pureté de 99,99 pour cent (4N) ou plus est la base de référence non négociable. Un fil 5N (99,999 %) réduit la croissance intermétallique nuisible et la corrosion au niveau du plot de connexion, ce qui permet d'obtenir un temps moyen de défaillance supérieur à 1 000 heures dans des tests de stockage à haute température de 200 degrés C, tandis que sa tolérance de diamètre contrôlée de plus ou moins 0,002 millimètres garantit des profils de boucle cohérents dans les soudeuses automatisées.
Degrés de pureté et contrôle des impuretés dans le fil d'aluminium de haute pureté
La performance de fil d'aluminium de haute pureté est dictée par les concentrations d’oligo-éléments mesurées en parties par million. Même une seule partie par million de certains métaux peut dégrader la conductivité électrique ou favoriser la corrosion des plots de liaison. Le tableau ci-dessous catégorise les niveaux de pureté standard disponibles auprès des fabricants spécialisés.
| Degré de pureté | Teneur en aluminium (pour cent) | Impuretés métalliques totales (ppm) | Application critique |
|---|---|---|---|
| 4N | 99.99 | Moins de 100 | Évaporation générale, électrodes de condensateur |
| 5N | 99.999 | Moins de 10 | Remplacement des fils d'or et de cuivre, liaison IC |
| 6N | 99.9999 | Moins de 1 | Films supraconducteurs, capteurs spécialisés |
Pour la plupart des entreprises de conditionnement de semi-conducteurs, Fil d'aluminium de haute pureté 5N est devenu la norme car il contient moins de 5 ppm de cuivre et de fer combinés. Cela réduit considérablement la formation de composés intermétalliques fragiles à l’interface aluminium-or, qui est la principale cause de la peste violette et du décollement des liaisons. L'étape de purification supplémentaire ajoute environ 15 à 20 pour cent au coût du matériau par rapport au 4N, mais l'amélioration de la fiabilité de la liaison dans des environnements ambiants à 150 degrés C justifie la dépense.
Tolérance de diamètre et exigences de finition de surface
Le diamètre de fil d'aluminium de haute pureté utilisé dans le collage par coin varie généralement de 0,7 mil (0,018 mm) à 20 mil (0,508 mm), la taille la plus courante étant de 1,0 mil (0,0254 mm). Le fil doit avoir une tolérance de diamètre de plus ou moins 2 pour cent de la valeur nominale pour garantir que l'énergie ultrasonique se couple de manière cohérente dans le plot de liaison. Un fil qui varie de plus de 0,0005 mm sur une bobine créera des hauteurs de boucle et des longueurs de queue variables, obligeant à un recalibrage fréquent du dispositif de liaison.
La finition de la surface est tout aussi critique. La surface du fil doit être exempte d'éclats, de rayures d'une profondeur supérieure à 0,5 micromètre et de lubrifiant résiduel provenant du processus d'étirage. Prime fil d'aluminium de haute pureté est nettoyé à l'aide d'un processus de solvant ultrasonique en plusieurs étapes qui réduit la contamination de la surface par le carbone à moins de 5 microgrammes par centimètre carré, garantissant une résistance constante à la traction du fil et éliminant la formation de vides époxy noirs pendant le moulage par transfert.
Recuit et contrôle des propriétés mécaniques
Fil d'aluminium de haute pureté est fourni dans un état recuit ou étiré, et l'état correct est déterminé par le type d'équipement de liaison. Deux tempéraments distincts sont communément spécifiés.
- Fil entièrement recuit (doux) a un allongement de 15 à 25 pour cent et une résistance à la traction inférieure à 50 MPa. Il se comprime uniformément sous l'outil de collage, créant une liaison symétrique. Cette trempe est essentielle pour les emballages militaires et aérospatiaux de haute fiabilité où la liaison doit survivre à des cycles thermiques allant de moins 65 degrés C à 150 degrés C.
- Fil tréfilé retient 50 à 80 pour cent de l’écrouissage dû à l’étirage et a une résistance à la traction comprise entre 120 et 180 MPa. Il est utilisé dans le collage par coin en profondeur où le fil doit résister au flambage sur de longues portées. Cependant, la ductilité réduite nécessite un réglage de puissance ultrasonique plus élevé, qui peut créer des cratères de fines plages de liaison s'il n'est pas soigneusement optimisé.
Un lot de fil d'aluminium de haute pureté un recuit incohérent peut provoquer une fluctuation de la déformation de la liaison de plus de 15 % sur une seule bobine. Des fabricants réputés testent chaque bobine pour vérifier l'allongement et la charge de rupture en utilisant une longueur de jauge de 250 mm à une vitesse d'essai de 25 mm par minute, selon les méthodes ASTM E8, et expédient le fil avec un certificat de conformité.
Applications d'évaporation et de revêtement en couche mince
En dépôt sous vide, fil d'aluminium de haute pureté est introduit sur un filament de tungstène chauffé ou sur un foyer à faisceau d'électrons pour créer des films minces pour les miroirs optiques, les électrodes semi-conductrices et les couches barrières. La géométrie du fil pour l'évaporation est généralement 0,5 mm à 2,0 mm de diamètre et est fourni en longueurs droites ou sous forme enroulée. Un fil d'aluminium de pureté 4N est suffisant pour la plupart des procédés de métallisation car le dépôt lui-même permet une certaine évacuation des gaz résiduels, mais le fil doit être exempt de sodium et de potassium, qui migrent rapidement dans le dioxyde de silicium et modifient les tensions de seuil des transistors.
La teneur totale en gaz de fil d'aluminium de haute pureté utilisée pour l’évaporation doit être spécifiée comme étant inférieure à 0,1 ppm pour l’hydrogène et inférieure à 0,5 ppm pour l’oxygène. Le gaz piégé provoque des crachats lors de l'évaporation, éjectant du filament des gouttelettes de la taille d'un micron qui créent des défauts dans le film déposé. Un fil d'aluminium 5N correctement dégazé ne montrera aucune projection visible sur une plaque témoin en verre carrée de 100 mm lorsqu'il sera évaporé à une vitesse de 5 nanomètres par seconde.
Stockage et manipulation pour prévenir la dégradation de la surface
Même une petite quantité d'humidité atmosphérique ou de chlore peut compromettre la capacité d'adhérence du fil d'aluminium de haute pureté . La surface de l'aluminium réagit avec l'humidité pour former une couche d'oxyde hydraté qui s'épaissit avec le temps et empêche une bonne formation intermétallique. Le protocole de stockage suivant prolonge la durée de conservation d'une bobine ouverte à plus de 6 mois.
- Conservez les bobines dans une armoire purgée à l'azote avec une humidité relative inférieure à 20 pour cent à tout moment.
- Après utilisation, remettez la bobine dans son sac en polyéthylène scellé et essorez l'excès d'air avant de fermer la fermeture éclair.
- Ne manipulez pas le fil à mains nues. Les empreintes digitales laissent des sels de chlorure qui attaquent la surface de l'aluminium dans les 24 heures à température ambiante.
- Si une bobine de fil d'aluminium de haute pureté a été exposé à l'air ambiant pendant plus de 72 heures, un test de collage doit être effectué et un test de traction pour vérifier une force minimale de 5 grammes par mil de diamètre de fil avant de libérer le lot pour la production.
