توصيل الأسلاك

تُعدّ تقنية التوصيل السلكي طريقةً لإنشاء وصلات بين الدوائر المتكاملة أو أجهزة أشباه الموصلات الأخرى وغلافها أثناء تصنيعها . كما يُمكن استخدامها لتوصيل الدوائر المتكاملة بأجهزة إلكترونية أخرى، أو لتوصيل لوحات الدوائر المطبوعة ببعضها، وإن كان ذلك أقل شيوعًا. وتُعتبر هذه التقنية عمومًا الأكثر فعالية من حيث التكلفة والمرونة في مجال التوصيل، وتُستخدم لتجميع الغالبية العظمى من أغلفة أشباه الموصلات.

تتكون أسلاك التوصيل عادةً من إحدى المواد التالية:

• الألومنيوم
• نحاس
• فضي
• ذهب

تبدأ أقطار الأسلاك من أقل من 10 ميكرومتر ويمكن أن تصل إلى عدة مئات من الميكرومترات للتطبيقات عالية الطاقة.

يشهد قطاع لحام الأسلاك تحولاً من استخدام الذهب إلى النحاس. ^{[ 1 ] [ 2 ] [ 3 ]} وقد حفز هذا التحول ارتفاع تكلفة الذهب وانخفاض تكلفة النحاس بشكل ملحوظ، مع ثباتها النسبي. ورغم أن النحاس يتمتع بموصلية حرارية وكهربائية أعلى من الذهب، إلا أنه كان يُنظر إليه سابقاً على أنه أقل موثوقية نظراً لصلابته وقابليته للتآكل. وبحلول عام 2015، كان من المتوقع أن يتم تجهيز أكثر من ثلث آلات لحام الأسلاك المستخدمة حالياً للعمل بالنحاس. ^{[ 4 ]}

أصبح سلك النحاس من المواد المفضلة لتوصيل الأسلاك في العديد من تطبيقات أشباه الموصلات والإلكترونيات الدقيقة. يُستخدم النحاس في توصيل الكرات الدقيقة بأحجام تتراوح من 10 ميكرومترات (0.00039 بوصة) إلى 75 ميكرومترًا (0.003 بوصة) . ^{[ 5 ]} يتميز سلك النحاس بإمكانية استخدامه بأقطار أصغر، موفرًا نفس أداء الذهب دون تكلفته العالية. ويعود ذلك إلى الموصلية الكهربائية العالية للنحاس. وتُعد وصلات أسلاك النحاس موثوقة على الأقل، إن لم تكن أكثر موثوقية، من وصلات أسلاك الذهب. ^{[ 6 ]}  

يمكن ربط أسلاك النحاس التي يصل قطرها إلى 500 ميكرومتر (0.02 بوصة) ^{[ 7 ]} بنجاح بتقنية الربط الوتدي . ويمكن استخدام أسلاك النحاس ذات القطر الكبير بدلاً من أسلاك الألومنيوم عند الحاجة إلى قدرة عالية على نقل التيار أو عند وجود مشاكل تتعلق بالهندسة المعقدة. وتُحسّن عمليات التلدين والتصنيع التي يستخدمها المصنّعون من إمكانية استخدام أسلاك النحاس ذات القطر الكبير للربط الوتدي بالسيليكون دون إلحاق أي ضرر بالرقاقة. 

يُشكّل سلك النحاس بعض التحديات نظرًا لصلابته التي تفوق صلابة كلٍّ من الذهب والألومنيوم، لذا يجب التحكم بدقة في معايير التوصيل. يجب أن تكون كمية الطاقة المستخدمة أثناء التوصيل بالموجات فوق الصوتية أعلى ^{[ 8 ]،} كما أن للنحاس تيار انصهار أعلى، مما يجعله يتمتع بقدرة أكبر على حمل التيار ^{[ 9 ]} . يُعدّ تكوّن الأكاسيد أمرًا طبيعيًا في هذا النوع من الأسلاك، لذا يجب مراعاة التخزين وفترة الصلاحية ^{[ 6 ]} . يتطلب الأمر تغليفًا خاصًا لحماية سلك النحاس وإطالة فترة صلاحيته. يُعدّ سلك النحاس المطلي بالبلاديوم بديلًا شائعًا أظهر مقاومة كبيرة للتآكل، على الرغم من صلابته العالية مقارنةً بالنحاس النقي وسعره المرتفع، إلا أنه لا يزال أقل من سعر الذهب. أثناء تصنيع وصلات الأسلاك، يجب تشغيل سلك النحاس، وكذلك الأنواع المطلية منه، في وجود غاز مُشكّل [95% نيتروجين و5% هيدروجين] أو غاز مماثل خالٍ من الأكسجين لمنع التآكل. إحدى طرق التغلب على صلابة النحاس النسبية هي استخدام أنواع عالية النقاء [5N+] ^{[ 4 ] .}

أدت تأثيرات التآكل على المدى الطويل (Cu2Si) ومواضيع الاستقرار الأخرى إلى زيادة متطلبات الجودة عند استخدامها في تطبيقات السيارات. ^{[ 10 ]}

يُستخدم عادةً سلك من الذهب الخالص مُطعّم بكميات مُتحكّم بها من البريليوم وعناصر أخرى في عملية الربط الكروي . تجمع هذه العملية بين المادتين المراد ربطهما باستخدام الحرارة والضغط والطاقة فوق الصوتية ، وتُعرف هذه العملية بالربط الحراري الصوتي. أكثر الطرق شيوعًا في الربط الحراري الصوتي هي الربط الكروي بالشريحة، ثم الربط الحلقي بالركيزة . تُحسّن الضوابط الدقيقة جدًا أثناء المعالجة خصائص الانحناء وتمنع الترهل.

يُحدد حجم الوصلة وقوة الربط ومتطلبات التوصيل عادةً حجم السلك الأنسب لتطبيق ربط الأسلاك المحدد. تُصنّع الشركات عادةً أسلاك الذهب بأقطار تبدأ من 8 ميكرومترات (0.00031 بوصة) فما فوق. ويبلغ هامش الخطأ في قطر سلك الذهب أثناء الإنتاج ±3%. 

تُفضّل أسلاك الألمنيوم المُسبّكة عمومًا على أسلاك الألمنيوم النقي، باستثناء الأجهزة ذات التيار العالي، نظرًا لسهولة سحبها إلى الأحجام الدقيقة وقوة تحملها العالية في اختبارات الشد في الأجهزة النهائية. ويُستخدم الألمنيوم النقي وسبائك الألمنيوم المُسبّكة بنسبة 0.5% من المغنيسيوم بشكل شائع في الأحجام التي تزيد عن 100 ميكرومتر (0.0039 بوصة) . 

تُساهم أنظمة الألومنيوم بالكامل في تصنيع أشباه الموصلات في القضاء على ظاهرة " الطاعون الأرجواني " (مركب الذهب والألومنيوم الهش بين الفلزات) التي تُصاحب أحيانًا أسلاك التوصيل المصنوعة من الذهب الخالص. ويُعدّ الألومنيوم مناسبًا بشكل خاص للتوصيل الحراري الصوتي .

لضمان الحصول على روابط عالية الجودة بسرعات إنتاج عالية، تُستخدم ضوابط خاصة في تصنيع أسلاك السيليكون والألومنيوم بنسبة 1% . ومن أهم خصائص هذا النوع من أسلاك الربط عالية الجودة تجانس نظام السبيكة، وهو ما يُولى اهتمامًا خاصًا خلال عملية التصنيع. تُجرى فحوصات مجهرية دورية لبنية السبيكة في دفعات أسلاك السيليكون والألومنيوم بنسبة 1% المُصنّعة. كما تُجرى المعالجة في ظروف تضمن أعلى مستويات النظافة السطحية والنعومة، وتسمح بفك اللفائف بسلاسة تامة دون أي تشابك.

الأنواع الرئيسية لتوصيل الأسلاك:

• ربط الكرة
• الربط الإسفيني
• ربط متوافق

يقتصر التوصيل الكروي عادةً على أسلاك الذهب والنحاس، ويتطلب عادةً استخدام الحرارة. أما التوصيل الإسفيني، فيقتصر على أسلاك الذهب فقط، ويتطلب استخدام الحرارة. ويمكن استخدام أسلاك ذات أقطار كبيرة أو شرائط سلكية في التوصيل الإسفيني لتطبيقات إلكترونيات الطاقة. بينما يقتصر التوصيل الكروي على الأسلاك ذات الأقطار الصغيرة، وهو مناسب لتطبيقات التوصيل البيني.

في كلا نوعي وصل الأسلاك، يُثبّت السلك من طرفيه باستخدام مزيج من الضغط لأسفل، والطاقة فوق الصوتية، وفي بعض الحالات الحرارة، لتكوين لحام . تُستخدم الحرارة لتليين المعدن. يُستخدم المزيج الأمثل من درجة الحرارة والطاقة فوق الصوتية لضمان أقصى قدر من الموثوقية وقوة وصلة السلك. إذا استُخدمت الحرارة والطاقة فوق الصوتية معًا، تُسمى العملية بالوصل الحراري الصوتي.

في عملية الربط الإسفيني، يجب سحب السلك في خط مستقيم وفقًا للرابطة الأولى. هذا يُبطئ العملية نظرًا للوقت اللازم لمحاذاة الأدوات. أما في عملية الربط الكروي، فتُنشأ الرابطة الأولى على شكل كرة مع بروز السلك من الأعلى، دون أي تفضيل لاتجاه معين. وبالتالي، يمكن سحب السلك في أي اتجاه، مما يجعلها عملية أسرع.

ينقل الربط المتوافق ^{[ 11 ]} الحرارة والضغط من خلال شريط ألومنيوم مرن أو قابل للانضغاط، وبالتالي فهو قابل للتطبيق في ربط أسلاك الذهب وأطراف الشعاع التي تم تشكيلها كهربائيا بالدائرة المتكاملة المصنوعة من السيليكون (المعروفة باسم الدائرة المتكاملة ذات أطراف الشعاع).

تُوجد تحديات عديدة فيما يتعلق بتصنيع وصلات الأسلاك وموثوقيتها. وتعتمد هذه التحديات عادةً على عدة عوامل، مثل أنظمة المواد، ومعايير التوصيل، وبيئة الاستخدام. تتطلب أنظمة وصلات الأسلاك المختلفة ، مثل الألومنيوم -الألومنيوم (Al-Al) والذهب -الألومنيوم (Au-Al) والنحاس-الألومنيوم (Cu-Al)، معايير تصنيع مختلفة، وتختلف في أدائها حتى في بيئات الاستخدام نفسها.

على الرغم من وجود بعض تقنيات اختبار قوة الشد والقص لوصلات الأسلاك، مثل MIL-STD-883 وASTM F459-13 وJESD22-B116، ^{[ 18 ] [ 19 ] [ 20 ] [ 21 ]} إلا أنها تُستخدم عادةً لتقييم جودة التصنيع أكثر من موثوقيتها. وهي في الغالب تقنيات إجهاد زائد أحادي الاتجاه، حيث تُعدّ قوة الذروة وموقع الكسر من النتائج الحاسمة. في هذه الحالة، يكون الضرر ناتجًا بشكل أساسي عن اللدونة، ولا يعكس بعض آليات التآكل التي قد تُلاحظ في الظروف البيئية.

يُطبّق اختبار شدّ الأسلاك قوةً صاعدةً أسفل السلك، مما يؤدي إلى سحبه بعيدًا عن الركيزة أو الشريحة. ^{[ 22 ]} ويهدف هذا الاختبار، كما هو موضح في معيار MIL-STD-883 2011.9، إلى قياس قوة الترابط، وتقييم توزيعات قوة الترابط، أو تحديد مدى الامتثال لمتطلبات قوة الترابط المحددة. يمكن شدّ السلك حتى التلف، ولكن توجد أيضًا طرق اختبار غير مُتلفة لاختبار قدرة السلك على تحمّل قوة معينة. تُستخدم طرق الاختبار غير المُتلفة عادةً لاختبار المنتجات عالية الجودة والتكلفة والحساسة للسلامة بنسبة 100%، وذلك لتجنب إتلاف وصلات الأسلاك المقبولة التي يتم اختبارها.

يشير مصطلح "سحب السلك" عادةً إلى عملية سحب السلك باستخدام خطاف مثبت على مستشعر سحب في جهاز اختبار التوصيل . مع ذلك، ولتحفيز أنماط فشل معينة، يمكن قطع الأسلاك ثم سحبها بواسطة ملقط، مثبت أيضًا على مستشعر سحب في جهاز اختبار التوصيل.  تُصنف الأسلاك التي يصل قطرها إلى 75 ميكرومتر (3 ميل) عادةً على أنها أسلاك رفيعة. أما ما يزيد عن ذلك، فيُطلق عليه اختبار الأسلاك السميكة.

• الطاعون الأرجواني (مركب بين فلزي)
• تأثير كيركيندال
• ربط الكرات
• الربط الإسفيني
• الربط الحراري الصوتي
• اختبار السحب

• أسلاك توصيل النحاس (Cu) من أمكور
• تقنية توصيل الأسلاك النحاسية (Cu) من J-Devices، مؤرشفة بتاريخ 6 ديسمبر 2018 على موقع Wayback Machine
• أسلاك التوصيل الفضية من أمكور (Ag)