Войти
Термозвуковое соединение широко используется для соединения кремниевых проводов интегральных схем в компьютеры. Александр Кукулас был назван «Отцом термозвукового соединения» Джорджем Харманом, ведущим мировым авторитетом в области проводных соединений, где он сослался на передовые публикации Кукуласа в своей книге «Соединение проводов в микроэлектронике». Благодаря хорошо зарекомендовавшей себя надежности термозвуковых соединений, он широко используется для подключения центральных процессоров (ЦП), которые представляют собой инкапсулированные кремниевые интегральные схемы, которые служат «мозгами» сегодняшние компьютеры.
Термозвуковая связь формируется с использованием набора параметров которые включают ультразвуковую, тепловую и механическую (силовую) энергии. Термозвуковая сварочная машина включает в себя преобразователь магнитострикционного или пьезоэлектрического типа, который используется для преобразования электрической энергии в колебательное движение, известное как пьезоэлектричество. Вибрационное движение распространяется по соединительной системе, часть которой сужается и служит преобразователем скорости. Преобразователь скорости усиливает колебательное движение и передает его на нагретый контактный наконечник. Это похоже на фрикционную связь, поскольку введение ультразвуковой энергии (через связующий инструмент, вертикально прикрепленный к ультразвуковому трансформатору или рупору) одновременно обеспечивает силу и вибрационное или чистящее движение к точкам межфазного контакта между предварительно нагретым деформирующим проводом. проволока и металлизированные площадки кремниевой интегральной схемы (рис. 2). Помимо передачи тепловой энергии, передача энергии ультразвуковых колебаний создает эффект смягчения ультразвука за счет взаимодействия на уровне атомной решетки предварительно нагретого подводящего провода. Эти два эффекта размягчения значительно облегчают деформацию выводного провода за счет формирования желаемой области контакта с использованием относительно низких температур и сил. В результате фрикционного действия и ультразвукового разупрочнения, индуцированного в предварительно нагретом выводном проводе во время цикла соединения, термозвуковое соединение может использоваться для надежного соединения выводных проводов с высокой температурой плавления (таких как золото и более дешевые алюминий и медь) с относительно низкими параметрами соединения.. Это гарантирует, что хрупкий и дорогостоящий кремниевый кристалл интегральной схемы не подвергнется потенциально опасным условиям из-за необходимости использовать более высокие параметры соединения (ультразвуковая энергия, температура или механические силы) для деформации выводного провода при формировании требуемой контактной площади во время процесса соединения.
Провода, прикрепленные к кремниевой интегральной схеме с использованием термозвуковой связи. Термозвуковая связь попадает в категорию твердотельной металлической связи, которая образуется путем сопряжения двух металлических поверхностей значительно ниже их соответствующих точек плавления.. Кукулас представил соединение Thermosonic, которое значительно улучшило надежность соединения, обеспечиваемую доступными коммерческими твердотельными аппаратами для связывания, в которых он предварительно нагрел выводной провод (и / или металлизированный кремниевый чип) перед введением ультразвукового энергетического цикла. Помимо термического размягчения свинцовой проволоки, последующая подача ультразвуковой энергии приводила к дальнейшему размягчению за счет взаимодействия на уровне атомной решетки нагретой проволоки (известное как ультразвуковое размягчение). Эти два независимых механизма размягчения (предварительный нагрев выводного провода и передача ультразвуковой энергии на уровне атомной решетки) устранили случаи растрескивания хрупкого и дорогостоящего кремниевого чипа, которые наблюдались Coucoulas при использовании более ранних коммерчески доступных твердотельных сварочных аппаратов. Улучшение происходит потому, что предварительный нагрев и ультразвуковое размягчение выводного провода значительно облегчили его деформацию при формировании требуемой площади контакта при использовании относительно низкого набора параметров соединения. В зависимости от уровня температуры и свойств материала выводного провода начало рекристаллизации (металлургия) или горячей обработки деформируемой проволоки может произойти, пока она формирует требуемую площадь контакта. Рекристаллизация происходит в области деформационного упрочнения свинцового провода, где она способствует смягчающему эффекту. Если бы проволока была деформирована ультразвуком при комнатной температуре, она имела бы тенденцию к значительному деформационному упрочнению (холодная обработка ) и, следовательно, имела бы тенденцию передавать повреждающие механические напряжения на кремниевый чип. Термозвуковое соединение, первоначально названное Александром Кукуласом термическим ультразвуковым соединением, позволяет связывать широкий спектр проводящих металлов, таких как алюминий и медная проволока, с тонкими пленками тантала и палладия, нанесенными на оксид алюминия и стеклянные подложки. все это имитировало металлизированный кремниевый чип.
.
В настоящее время большинство соединений с кремниевым кристаллом интегральной схемы выполняется с использованием термозвукового соединения, поскольку в нем используются более низкие температуры соединения, силы и время выдержки, чем термокомпрессионное соединение, поскольку а также более низкие уровни энергии и силы вибрации, чем ультразвуковое соединение для образования требуемой области соединения. Следовательно, использование термозвукового соединения исключает повреждение относительно хрупкого кремниевого интегрального кристалла во время цикла соединения. Доказанная надежность термозвукового соединения сделала его предпочтительным процессом, поскольку такие потенциальные режимы отказа могут быть дорогостоящими независимо от того, возникают ли они на стадии производства или обнаруживаются позже, во время полевого отказа микросхемы, которая была подключена внутри компьютера или множество других микроэлектронных устройств.
Термозвуковое соединение также используется в процессе flip chip, который представляет собой альтернативный метод электрического соединения кремниевых интегральных схем.
В устройствах с эффектом Джозефсона и сверхпроводящей интерференцией (DC SQUID ) также используется процесс термозвуковой связи. В этом случае другие методы соединения могут ухудшить или даже разрушить микроструктуры YBaCuO₇, такие как микромостики, джозефсоновские переходы и сверхпроводящие интерференционные устройства (DC SQUID ).
При электрическом соединении светоизлучающих диодов с помощью методов термозвукового соединения были продемонстрированы улучшенные характеристики устройства.
