Annexe 2 : le câblage par fil

Le câblage par fil ou Wire-bonding

Cette technique est sans doute la plus utilisée et la mieux maîtrisée pour effectuer un large éventail de connexions électriques, à la fois à petite et grande échelle. Elle fut pendant longtemps la seule disponible pour la connexion entre des détecteurs en silicium à micropistes et leur électronique de lecture. Cependant cela implique de sévères contraintes sur la géométrie des différentes parties à connecter.

Le câblage consiste simplement en un fil conducteur soudé par ultrasons entre deux plots de connections prévus pour cet usage. Le matériau constituant le fil (ou bond) est généralement de l'aluminium ou de l'or. La valeur standard du diamètre du fil est égale à 25 $\mu$m, cependant l'utilisation de fils plus minces (jusqu'à 17 $\mu$m) ou plus épais ne pose pas de difficultés réelles.

Le wire-bonding n'est réalisable que si les parties A et B sont à la fois proches l'une de l'autre et relativement coplanaires. Les distances D et H sont fortement corrélées à la valeur P qui représente la pas entre les plots de connection, comme indiqué sur la figure 4.19, ci-dessous.

Figure 4.19: Schéma de principe du câblage par fil (en haut), avec une image SEM de la soudure du fil d'aluminium sur le plot de connexion (en bas)

En effet plus la distance P est petite, plus il sera difficile de tendre le fil entre les plots sans provoquer de court-circuit. Par exemple, pour un pas P $>$ 100 $\mu$m, un câblage avec D = 5mm est réalisable. L'extrême fragilité du fil utilisé implique une contrainte supplémentaire, en effet pour des raisons de tenue mécanique, il est indispensable que les parties A et B soient solidaires. La résistance aux contraintes d'un (ou plusieurs) bond(s) étant très faible (4 à 5 grammes à l'arrachement pour un fil de 17 $\mu$m de diamètre), tout mouvement relatif de A par-rapport à B peut entraîner la perte de une (ou plusieurs) connexion(s). Le câblage de deux composants indépendants est sinon impossible, très difficile à réaliser.

Le dernier point concerne le taux de bonnes connexions qui avoisine les 100% : en effet, quand une connexion est défectueuse, elle est généralement reprise. La fréquence, en mode de fonctionnement automatique, est de l'ordre du hertz.

La figure 4.20 montre les premiers prototypes cablés par fil des modules STAR. Dans ce design, les hybrides supportant l'électronique reposent à coté du détecteur. De plus, nous pouvons distinguer l'adaptateur de pas utilisé afin de réduire le pas entre les pistes du détecteur (95 $\mu$m) au pas des entrées analogiques du circuit ALICE128C (44 $\mu$m): cela a pour effet de multiplier le nombre de connexions par un facteur 2. Dans les modules actuels, ce problème est directement résolu par le ruban TAB.

Figure 4.20: Les prototypes cablés par fil des modules STAR. A gauche le détecteur en silicium et au centre le circuit ALICE128C, nous pouvons voir la première série de bonds du circuit vers l'adaptateur de pas (44 $\mu$m) puis de l'adaptateur vers le détecteur (95 $\mu$m).