ربط الكرة

يُعد ربط الكرات نوعًا من أنواع ربط الأسلاك ، وهو الطريقة الأكثر شيوعًا لعمل التوصيلات الكهربائية بين رقاقة السيليكون العارية والإطار الرصاصي للعبوة التي توضع فيها أثناء تصنيع أجهزة أشباه الموصلات .

يمكن استخدام أسلاك الذهب أو النحاس ، مع أن الذهب أكثر شيوعًا لأن أكسيده لا يُسبب مشاكل كبيرة في اللحام. في حال استخدام أسلاك النحاس، يجب استخدام النيتروجين كغاز واقٍ لمنع تكوّن أكاسيد النحاس أثناء عملية توصيل الأسلاك. كما أن النحاس أصلب من الذهب، مما يزيد من احتمالية تلف سطح الشريحة. مع ذلك، يُعد النحاس أرخص من الذهب ويتمتع بخصائص كهربائية أفضل، ^{[ 1 ]} لذا يبقى خيارًا جذابًا.

تستخدم معظم عمليات اللحام الكروي الحديثة مزيجًا من الحرارة والضغط والطاقة فوق الصوتية لتكوين لحام عند طرفي السلك. ويمكن أن يصل  قطر السلك المستخدم إلى 15 ميكرومترًا فقط، ما يسمح بوضع عدة لحامات على عرض شعرة الإنسان.

عند رؤية جهاز لحام الكرات لأول مرة، يُشبهه عادةً بماكينة الخياطة . في الواقع، يوجد أداةٌ تُشبه الإبرة تُسمى الأنبوب الشعري ، يُمرر السلك من خلالها. يُطبق تيار كهربائي عالي الجهد على السلك، مما يؤدي إلى انصهاره عند طرف الأنبوب الشعري. يتشكل طرف السلك على هيئة كرة بفعل التوتر السطحي للمعدن المنصهر.

تتصلب الكرة بسرعة، ثم يُخفض الأنبوب الشعري إلى سطح الشريحة، الذي يُسخن عادةً إلى 125  درجة مئوية على الأقل. بعد ذلك، يضغط الجهاز على الأنبوب الشعري ويُطبق طاقة فوق صوتية باستخدام محول طاقة مُلحق . تُؤدي الحرارة والضغط والطاقة فوق الصوتية مجتمعةً إلى لحام بين كرة النحاس أو الذهب وسطح الشريحة - الذي يكون عادةً من النحاس أو الألومنيوم . هذا ما يُسمى بالربط الكروي، ومن هنا جاء اسم العملية. ^{[ 2 ]} (تُزيل أنظمة الألومنيوم بالكامل في تصنيع أشباه الموصلات " الطاعون الأرجواني " - وهو مركب بين فلزي هش من الذهب والألومنيوم - الذي يرتبط أحيانًا بأسلاك الربط المصنوعة من الذهب الخالص. هذه الخاصية تجعل الألومنيوم مثاليًا للربط فوق الصوتي).

بعد ذلك، يُمرر السلك عبر الأنبوب الشعري، وتتحرك الآلة بضعة ملليمترات إلى الموضع المطلوب توصيل الشريحة به (يُسمى عادةً إطار التوصيل ^{[ 3 ]} ). ثم تنزل الآلة مرة أخرى إلى السطح، هذه المرة دون تشكيل كرة، بحيث يُضغط السلك بين إطار التوصيل وطرف الأنبوب الشعري. في هذه الحالة، يكون السطح عادةً من الذهب أو البلاديوم أو الفضة، ولكن تتم عملية اللحام بنفس الطريقة. يختلف مظهر اللحام الناتج تمامًا عن اللحام الكروي، ويُشار إليه باسم اللحام الإسفيني أو اللحام الطرفي أو ببساطة اللحام الثاني .

في الخطوة الأخيرة، تقوم الآلة بإخراج قطعة صغيرة من السلك ثم تقطعها من السطح باستخدام مجموعة من المشابك. يتبقى بذلك جزء صغير من السلك معلقًا من نهاية الأنبوب الشعري. ثم تبدأ الدورة من جديد بتطبيق شحنة كهربائية عالية الجهد على هذا الجزء.

تُعرف عملية قطع السلك مباشرةً بعد تشكيل الكرة باسم "التوصيل المباشر" . ويُستخدم هذا الأسلوب عند تكديس الرقائق في وحدات النظام المتكامل (SIP). ^{[ 4 ]}

أحدث الآلات المتطورة ( حتى عام 2003)يمكن تكرار هذه الدورة حوالي 20 مرة في الثانية. آلة ربط الكرات الحديثة أوتوماتيكية بالكامل، وهي في الأساس روبوت صناعي مكتفٍ ذاتيًا، مزود بنظام رؤية وأجهزة استشعار وأنظمة مؤازرة معقدة.

تُستخدم محولات الطاقة الكهروإجهادية لتوفير الطاقة فوق الصوتية في عملية ربط الكرات. تُعرف هذه المحولات باسم محولات الطاقة المثبتة بمسامير أو محولات لانجفين. تتكون من مكونات معدنية وعناصر كهروإجهادية، جميعها مثبتة معًا بواسطة مسمار. تعمل هذه المحولات عند تردد رنينها للاهتزاز الجانبي لإحداث إثارة فوق صوتية جانبية في الأنبوب الشعري. على طول الاتجاه الجانبي للمحول، توجد نقاط عقدية (إزاحة كبيرة) ونقاط بطنية (بدون إزاحة). تتمدد العناصر الكهروإجهادية وتنكمش عند تطبيق جهد كهربائي متناوب (عند تردد الرنين)، مما يُثير اهتزازًا رنينيًا في الهيكل. عادةً، يتم تكديس عدد قليل من العناصر لزيادة المجال الكهربائي عند تطبيق جهد كهربائي (يتولد إجهاد يتناسب مع المجال الكهربائي). ولتحقيق أقصى قدر من نقل الطاقة من العنصر الكهروإجهادي إلى الهيكل، يتم وضعها عند العقد، وهي مناطق ذات إجهاد وانفعال عالٍ. في الوقت نفسه، ولتقليل فقد الطاقة إلى المحيط، يتم تثبيت المحول عند نقطة بطن (بدون إزاحة). ^{[ 5 ]}

يُستخدم بوق مخروطي الشكل في الطرف الأمامي للمحول لتضخيم الاهتزاز. ويمكن استخدام أشكال مخروطية مختلفة للحصول على النتيجة المرجوة، مثل المخروط الخطي أو المخروط القطعي المكافئ. يقلل مخروط البوق من مساحة المقطع العرضي، مما يؤدي إلى زيادة كثافة طاقة الموجات فوق الصوتية، وبالتالي زيادة الإزاحة بالقرب من الطرف. ولهذا السبب، توضع الشعيرة الدموية بالقرب من الطرف. وتُثار أنماط انحناء ذات رتبة أعلى في الشعيرة الدموية، وهي أنماط غير مثالية. وللتخفيف من هذا التأثير، يتم ضبط موضع تثبيت الشعيرة الدموية على عقدة مضادة لها. من الناحية المثالية، ينبغي أن تكون الشعيرة الدموية قصيرة، ولكن هذا غير ممكن لأن عملية الربط يجب أن تتم في مناطق يصعب الوصول إليها. ^{[ 5 ]}

يثبت البرغي الهيكل بأكمله معًا عن طريق ربطه في البوق (بحسب التكوين). يجب تطبيق التحميل المسبق الصحيح لتحسين الأداء. تكون سيراميكات بيزو ضعيفة تحت الشد؛ لذلك، يضمن التحميل المسبق الكبير أن تعمل السيراميكات في الغالب تحت الضغط بسبب إجهاد الانحياز. ^{[ 5 ]}

• رقاقة (دائرة متكاملة)
• الربط الإسفيني
• توصيل الأسلاك