الحلول

توصيل الأسلاك

صحيفة حقائق قاعدة المعرفة

ما هو توصيل الأسلاك؟

تُعدّ عملية توصيل الأسلاك طريقةً يتمّ من خلالها ربط سلك معدني لين ذي قطر صغير بسطح معدني متوافق دون استخدام اللحام أو مواد الصهر، وفي بعض الحالات باستخدام الحرارة التي تتجاوز 150 درجة مئوية. تشمل المعادن اللينة الذهب (Au) والنحاس (Cu) والفضة (Ag) والألومنيوم (Al) وسبائك مثل البلاديوم والفضة (PdAg) وغيرها.

فهم تقنيات وعمليات توصيل الأسلاك لتطبيقات تجميع الإلكترونيات الدقيقة.
تقنيات/عمليات الربط الإسفيني: الربط الشريطي، والربط الكروي الحراري الصوتي، والربط الإسفيني بالموجات فوق الصوتية
تُعدّ تقنية توصيل الأسلاك طريقةً لإنشاء وصلات بين الدوائر المتكاملة أو أجهزة أشباه الموصلات المماثلة وغلافها أو إطارها أثناء التصنيع. كما تُستخدم هذه التقنية بشكل شائع حاليًا لتوفير التوصيلات الكهربائية في تجميعات بطاريات الليثيوم أيون. وتُعتبر تقنية توصيل الأسلاك عمومًا الأكثر فعالية من حيث التكلفة والمرونة بين تقنيات التوصيل الإلكتروني الدقيق المتاحة، وتُستخدم في غالبية أغلفة أشباه الموصلات المُنتجة اليوم. وتشمل تقنيات توصيل الأسلاك ما يلي: توصيل الأسلاك بالضغط الحراري.
طُوِّرت تقنية ربط الأسلاك بالضغط الحراري (التي تعتمد على دمج سطحين متماثلين (عادةً من الذهب) معًا تحت ضغط عالٍ ودرجات حرارة تلامس مرتفعة، تتجاوز عادةً 300 درجة مئوية، لإنتاج لحام) في البداية في خمسينيات القرن الماضي لتوصيلات الإلكترونيات الدقيقة، إلا أنها سرعان ما استُبدلت بتقنية الربط بالموجات فوق الصوتية والحرارية الصوتية في الستينيات لتصبح التقنية السائدة في مجال التوصيلات. لا تزال تقنية الربط بالضغط الحراري مستخدمة في تطبيقات متخصصة حتى اليوم، ولكن يتجنبها المصنّعون عمومًا نظرًا لارتفاع درجات حرارة التلامس (التي غالبًا ما تكون مُتلفة) اللازمة لإتمام عملية الربط بنجاح.
في ستينيات القرن الماضي، أصبحت تقنية اللحام السلكي بالموجات فوق الصوتية هي الطريقة السائدة في مجال التوصيلات البينية. وقد أتاح تطبيق اهتزاز عالي التردد (عبر محول طاقة رنان) على أداة اللحام مع قوة تثبيت متزامنة، لحام أسلاك الألومنيوم والذهب في درجة حرارة الغرفة. يساعد هذا الاهتزاز فوق الصوتي في إزالة الملوثات (الأكاسيد والشوائب وغيرها) من أسطح اللحام في بداية عملية اللحام، وفي تعزيز نمو المركبات المعدنية البينية لتطوير الرابطة وتقويتها. تتراوح الترددات النموذجية للربط بين 60 و120 كيلوهرتز. تعتمد تقنية الربط بالموجات فوق الصوتية على تقنيتين رئيسيتين: ربط الأسلاك الكبيرة (الثقيلة) للأسلاك التي يزيد قطرها عن 100 ميكرومتر، وربط الأسلاك الدقيقة (الصغيرة) للأسلاك التي يقل قطرها عن 75 ميكرومتر. يمكن الاطلاع على أمثلة لدورات الربط بالموجات فوق الصوتية النموذجية هنا للأسلاك الدقيقة وهنا للأسلاك الكبيرة. يستخدم ربط الأسلاك بالموجات فوق الصوتية أداة ربط خاصة أو "وتدًا"، مصنوعة عادةً من كربيد التنجستن (لأسلاك الألومنيوم) أو كربيد التيتانيوم (لأسلاك الذهب) حسب متطلبات العملية وأقطار الأسلاك؛ كما تتوفر أوتاد ذات رؤوس خزفية لتطبيقات محددة. ربط الأسلاك بالحرارة الصوتية:
عند الحاجة إلى تسخين إضافي (عادةً لأسلاك الذهب، حيث تتراوح درجة حرارة وصلات التوصيل بين 100 و250 درجة مئوية)، تُسمى هذه العملية بالتوصيل الحراري الصوتي للأسلاك. تتميز هذه الطريقة بمزايا كبيرة مقارنةً بنظام الضغط الحراري التقليدي، إذ تتطلب درجات حرارة أقل بكثير لوصلات التوصيل (مع العلم أنه تم ذكر توصيل الذهب في درجة حرارة الغرفة، إلا أنه عمليًا غير موثوق به دون تسخين إضافي). التوصيل الحراري الصوتي للكرات:
يُعدّ ربط الكرات (انظر دورة ربط الكرات هنا) شكلاً آخر من أشكال ربط الأسلاك بالحرارة الصوتية. تستخدم هذه الطريقة أداة ربط شعرية خزفية بدلاً من تصميمات الوتد التقليدية، لتجمع بين أفضل خصائص كل من الربط بالضغط الحراري والربط بالموجات فوق الصوتية دون عيوبهما. يضمن الاهتزاز الحراري الصوتي بقاء درجة حرارة التلامس منخفضة، بينما يسمح الربط الأولي، وهو ربط الكرات المضغوط حرارياً، بوضع السلك والربط الثانوي في أي اتجاه، وليس على خط مستقيم مع الربط الأولي، وهو ما يُمثل قيداً في ربط الأسلاك بالموجات فوق الصوتية. بالنسبة للتصنيع الآلي بكميات كبيرة، تُعدّ آلات ربط الكرات أسرع بكثير من آلات الربط بالموجات فوق الصوتية/الحرارية الصوتية (الوتدية)، مما يجعل ربط الكرات الحراري الصوتي تقنية الربط البيني السائدة في الإلكترونيات الدقيقة لأكثر من 50 عاماً. ربط الشرائط:
لطالما هيمنت تقنية الربط الشريطي، باستخدام أشرطة معدنية مسطحة، على إلكترونيات الترددات الراديوية والميكروويف لعقود (حيث يوفر الشريط تحسناً ملحوظاً في فقدان الإشارة [تأثير السطح] مقارنةً بالأسلاك الدائرية التقليدية). يتم ربط شرائط الذهب الصغيرة، التي يصل عرضها عادةً إلى 75 ميكرومتراً وسمكها إلى 25 ميكرومتراً، عبر عملية الربط الحراري الصوتي باستخدام أداة ربط إسفينية كبيرة ذات وجه مسطح. كما يمكن ربط شرائط الألومنيوم التي يصل عرضها إلى 2000 ميكرومتر وسمكها إلى 250 ميكرومتراً باستخدام عملية الربط الإسفيني بالموجات فوق الصوتية، وذلك نظراً لتزايد الحاجة إلى وصلات بينية ذات كثافة عالية وحلقات أقل.

ما هو سلك التوصيل الذهبي؟

تُعدّ عملية توصيل الأسلاك الذهبية عملية يتم من خلالها ربط سلك ذهبي بنقطتين في مجموعة ما لتشكيل وصلة أو مسار موصل كهربائيًا. وتُستخدم الحرارة والموجات فوق الصوتية والقوة لتشكيل نقاط التوصيل. تبدأ عملية إنشاء نقطة التوصيل بتكوين كرة ذهبية في طرف أداة التوصيل، وهي الأنبوب الشعري. تُضغط هذه الكرة على سطح المجموعة المُسخّن مع تطبيق قوة محددة لكل تطبيق وتردد يتراوح بين 60 و152 كيلوهرتز من الحركة فوق الصوتية باستخدام الأداة. بمجرد إتمام التوصيل الأول، يُحرّك السلك بطريقة دقيقة ومُحكمة لتشكيل شكل الحلقة المناسب لهندسة المجموعة. ثم يُشكّل التوصيل الثاني، والذي يُشار إليه غالبًا بالغرزة، على السطح الآخر بالضغط لأسفل بالسلك واستخدام مشبك لقطع السلك عند نقطة التوصيل.

توفر تقنية توصيل الأسلاك الذهبية طريقة توصيل داخل العبوات تتميز بموصلية كهربائية عالية، تفوق بعض أنواع اللحام بعشرة أضعاف تقريبًا. إضافةً إلى ذلك، تتمتع الأسلاك الذهبية بمقاومة عالية للأكسدة مقارنةً بمواد الأسلاك الأخرى، كما أنها أكثر ليونة من معظمها، وهو أمر ضروري للأسطح الحساسة.
تختلف عملية الربط باختلاف متطلبات التجميع. ففي حالة المواد الحساسة، يمكن وضع كرة ذهبية على منطقة الربط الثانية لإنشاء رابطة أقوى وأكثر مرونة في آنٍ واحد، وذلك لمنع تلف سطح المكون. أما في المساحات الضيقة، فيمكن استخدام كرة واحدة كنقطة بداية لربطتين، لتشكيل رابطة على شكل حرف "V". وعندما يتطلب ربط الأسلاك مزيدًا من المتانة، يمكن وضع كرة فوق نقطة الربط لتشكيل رابطة أمان، مما يزيد من ثبات السلك وقوته. إن تطبيقات الربط السلكي وتنوعاته لا حدود لها تقريبًا، ويمكن تحقيقها باستخدام البرامج الآلية في أنظمة الربط السلكي من بالومار.