Александр Кукулас - Alexander Coucoulas

Александр Кукулас американский изобретатель, инженер-исследователь и автор. Его назвали "Отцом Термозвуковое соединение "Джордж Харман,[1] мировой авторитет в области проводных соединений, на который он сослался на передовые публикации Кукуласа в своей книге, Сварка проводов в микроэлектронике.[2][3]Связь Thermosonic формируется с использованием набора параметров, который включает ультразвуковую, тепловую и механическую (силовую) энергию. На рисунке 1 (ниже) показана схема термозвуковой машины для склеивания, которая включает магнитострикционный или пьезоэлектрического типа преобразователь, который используется для преобразования электрической энергии в колебательное движение. Вибрационное движение распространяется по соединительной системе, часть которой сужается, чтобы служить преобразователем скорости. Преобразователь скорости усиливает колебательное движение и передает его на нагретый контактный наконечник.

Термозвуковое соединение широко используется для электрического соединения кремниевых интегральных схем микропроцессор чипсы[4][5] в компьютеры, а также во множество других электронных устройств, требующих проводное соединение.

Провода, подключенные к кремниевой интегральной схеме с помощью термозвуковой связи

В результате внедрения Coucoulas термозвуковая связь В начале 60-х годов прошлого века его применение и научные исследования исследователей со всего мира выросли, что подтверждают тысячи поисковых сайтов Google. Важнейшая доказанная надежность термозвуковая связь, как подтверждают эти исследования, сделала его предпочтительным для подключения этих критически важных электронных компонентов. А поскольку относительно низкие параметры связи, как было показано, образуют надежные термозвуковые связи, целостность хрупкого кремниевого кристалла интегральной схемы центральный процессор или ЦПУ, гарантированно используется в течение всего срока службы в качестве «мозга» компьютера.

Личное прошлое

Кукулас ушел из AT&T Bell Labs в качестве члена технического персонала в 1996 году, где он был пионером исследований в области электроники /фотоника упаковка, лазерная технология и оптические волокна, в результате чего были получены многочисленные патенты и публикации. Он дважды был награжден за лучшую работу, которую он представил на 20-й и 43-й конференциях IEEE Electronic Components Conference, за «Compliant Bonding» в 1970 году ».[6] и AlO Bonding в 1993 г. [7] оба из которых были его запатентованными изобретениями.[8][9]Его родители-иммигранты из Ионии и Греции родились в библейском городе Смирна. Его отец-одиночка, Деметриос (Джеймс) Кукулас (искалеченный греческий солдат из Смирне), был спасен из прибрежных вод Эгейского моря японским военно-морским крейсером, когда он находился в поле зрения и во время разрушительного Огонь Смирны в сентябре 1922 года. Японский крейсер доставил его в Переаус, Греция, где он иммигрировал в Соединенные Штаты через остров Эллис на «Короле СС Александра» в ноябре того же года.[10][11]

Кукулас - коренной житель Нью-Йорка, служивший в армии США. боевой инженер в Командовании Дальнего Востока в начале 1950-х и был награжден Медаль за службу национальной обороны для Корейской войны (1950-1954). Затем он получил степень бакалавра и магистра в области металлургической инженерии и материаловедения в Нью-Йоркском университете, который финансировался GI Bill, стипендией для аспирантов и работой на неполный рабочий день в столичном районе Нью-Йорка. Его дипломная работа проходила под руководством доктора Курта Комарека, бывшего ректора (президента) и нынешнего почетного профессора Венского университета. Кукулас в соавторстве с доктором Комареком написал статью, в которую вошла его диссертация.[12] Его супруга, Мари Янссен Кукулас, играла важную вспомогательную роль на протяжении всей его профессиональной карьеры, а также вносила свой вклад в благополучие обучающихся детей с ограниченными возможностями в качестве профессионального консультанта по обучению. Его дочери, Дайан и Андреа, проявили себя как профессор Университета Северной Каролины и консультант начальной школы соответственно.

Инженерные изыскания

Термозвуковое соединение

Как упоминалось выше, в середине 1960-х годов Александр Кукулас,[2][3] сообщил о первых термозвуковых проволочных соединениях с использованием комбинации тепла, ультразвуковых колебаний и давления, которые привели к его первому изобретению. Он сначала установил коммерческое ультразвуковое устройство для соединения проводов (способное передавать энергию вибрации и давление), чтобы исследовать прикрепление алюминиевых проводов к тонким пленкам тантала, нанесенным на стеклянные подложки, которые имитировали соединение выводного провода с хрупким металлизированным кремниевым кристаллом интегральной схемы. ". Он заметил, что уровни ультразвуковой энергии и давления, необходимые для достаточной деформации проволоки и образования требуемых контактных площадей, значительно увеличивают вероятность появления трещин в стеклянных или кремниевых подложках чипов. Затем к ультразвуковому устройству для склеивания было добавлено средство для нагрева области соединения. Затем область соединения нагревали во время цикла ультразвуковой сварки, что практически исключало режим разрушения стекла, поскольку проволока резко деформировалась, чтобы сформировать требуемую площадь контакта, при этом использовались значительно более низкие уровни ультразвуковой энергии и давления. Повышенная деформация проволоки во время цикла ультразвуковой сварки объяснялась переходом от холодной обработки (или деформационного упрочнения проволоки) к условиям, близким к горячим, при которых ее мягкость была увеличена. При повышении температуры связывания начало рекристаллизации (механизм размягчения) происходит там, где деформационное упрочнение наиболее обширно. Таким образом, двойные механизмы термического смягчения и ультразвукового смягчения, которые вызываются колебательной энергией, взаимодействующей на уровне атомной решетки,[13] способствовал желаемой деформации проволоки. Кристиан Агарь[14] и Джордж Харман[4] заявил, что в 1970 году Александр Кукулас[3] сообщил о дополнительных работах по формированию соединений террозвукового типа, которые он первоначально назвал горячим ультразвуковым соединением. В этом случае медные проволоки приклеивались к тонким пленкам палладия, нанесенным на подложки из оксида алюминия. В результате этих первых заявленных термозвуковых проволочных соединений, Дж. Харман[4] заявлено, что «как таковой Александр Кукулас является отцом термозвукового соединения». В настоящее время большинство соединений с кремниевыми интегральными схемами (чипом) выполняется с использованием термозвукового соединения, поскольку оно использует более низкие температуры соединения, силы и время выдержки, чем термокомпрессионное соединение, а также более низкие уровни энергии вибрации, чем при ультразвуковом связывании, для образования требуемой площади соединения. В результате использования более низких параметров соединения для формирования требуемой площади контакта Thermosonic Bonding в значительной степени исключает повреждение относительно хрупкого кремниевого микрочипа интегральной схемы во время цикла соединения. Доказанная надежность термозвукового соединения сделала его предпочтительным, поскольку такие потенциальные режимы отказа могут быть дорогостоящими независимо от того, происходят ли они на этапе производства или обнаруживаются позже, во время полевого отказа микрочипа, который был постоянно подключен внутри компьютер или множество других электронных устройств.

Другой пример, показывающий важность и надежность использования термозвуковой связи, произошел, когда L Burmeister et al. из Гамбургского университета, Германия, сообщил, что использование только ультразвуковой энергии для связывания золотых проводов с микроструктурами YBa2Cu3O7, такими как микромостики, джозефсоновские переходы и сверхпроводящие интерференционные устройства (СКВИДы постоянного тока), может привести к их разрушению. Burmeister et al. заявили, что проблема была преодолена с помощью термозвукового процесса соединения Coucoulas, при котором микроструктура устройства оставалась нетронутой, чтобы их можно было использовать.[15]

Растущее применение термозвуковой связи

В настоящее время большинство подключений к кремниевой интегральной схеме выполняется с помощью термозвуковой связи.[16] потому что в нем используются более низкие температуры, силы и время выдержки, чем при термокомпрессионном соединении, а также более низкие уровни энергии и силы вибрации, чем при ультразвуковом соединении, для образования необходимой площади соединения. Таким образом, использование термозвуковой связи исключает повреждение относительно хрупкого кремния. Интегральная схема скол во время цикла склеивания. 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 перевернуть чип процесс, который является альтернативным методом электрического соединения кремниевых интегральных схем.

Эффект джозефсона и сверхпроводящие помехи (постоянный ток КАЛЬМАР ) устройства также используют процесс термозвукового соединения. В этом случае другие методы соединения могут ухудшить или даже разрушить микроструктуры YBaCuO₇, такие как микромостики, джозефсоновские переходы и сверхпроводящие интерференционные устройства.[17] (ОКРУГ КОЛУМБИЯ КАЛЬМАР ).

При электрическом подключении светодиоды с помощью методов термозвукового соединения были показаны улучшенные характеристики устройства.[18]

Податливое склеивание

«Compliant Bonding» был удостоен награды за лучшую бумажную презентацию и публикацию на конференции IEEE Electronic Components Conf. Щелкните фото, чтобы просмотреть исходное разрешение файла.
Патент "Compliant Bonding". Нажмите выше, чтобы прочитать исходный файл

Следуя своим новаторским принципам термозвукового соединения, Кукулас изобретает "Compliant Bonding".[19] который был средством твердотельного соединения протяженных гальванических выводов "чип с выводами луча" во внешний мир. Это был уникальный метод твердотельного соединения, в котором энергия соединения (тепло и давление) передавалась через эластичную алюминиевую ленту. Податливая лента преодолевала колебания толщины выводов луча, а также выступала в качестве носителя стружки в месте соединения. В 1971 году он был удостоен награды за лучшую бумажную презентацию за «Соответствующее соединение»[6] который вошел в число более чем 90 статей, представленных на 20-й конференции IEEE Electronic Components в 1970 году инженерами и учеными со всего мира.

Нажмите на картинку для увеличения

  • Этапы податливого приклеивания золотых проводов к золотой металлизированной поверхности. Щелкните изображение для увеличения.

  • Кремниевые интегральные схемы, показывающие присоединенные и удлиненные гальванические выводы пучка вокруг кремниевого чипа

  • Провода твердотельно прикреплены непосредственно к металлизированным площадкам кремниевого интегрального микросхемы.

  • Инструмент для соединения с твердой наплавкой, одновременное соединение всех выводов удлиненной балки

  • Соответствующее соединение кремниевой интегральной схемы с выводными выводами, показывающее зазубренный податливый элемент после соединения "чипа"

Экструзионные трубки из кварцевого стекла для изготовления оптические волокна

Первый шаг в производстве оптических волноводов MCVD оптоволокно Этот процесс заключается в изготовлении трубок из плавленого кварца с высокой концентрацией с минимальными отклонениями по всей их длине, что приводит к критической овальности конечного оптического волокна. Кукулас предложил и сообщил о создании трубок из экструдированного плавленого кварца, которые точно следовали уравнению Пуазель-Хагена для ламинарного потока, и таким образом производили трубки с оболочкой с размерными свойствами, необходимыми для изготовления приемлемых оптических волокон.[20] Кукулас и его коллеги были награждены патентами на процесс изготовления труб.[21][22]

Метод экструзии стеклянных трубок для изготовления оптических волокон Щелкните выше, чтобы прочитать исходный файл.
Аппарат для экструзии стеклянных трубок для изготовления оптических волокон Щелкните выше, чтобы прочитать исходный файл.

Связь AlO, используемая для формирования фотонный переключатель

Патент AlO Bonding Нажмите выше, чтобы прочитать исходный файл

Спустя двадцать три года после получения награды за лучшую работу за «Соответствующее соединение», как упоминалось выше, Кукулас снова был награжден «Лучшей статьей» на 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям в 1993 году (которую он представил и написал в соавторстве со своими коллегами). Он назывался «Связывание AlO: метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием».[23] Он также был награжден патентом США на изобретение соединения AlO.[9]

Микроструктура твердого диоксида углерода («сухой лед»)

Его первая должность в области промышленных исследований находилась в Центральном исследовательском центре Air Reduction в Нью-Джерси, где он исследовал и был соавтором статьи в «Транзакциях металлургического общества AIME» под названием «Некоторые наблюдения микроструктуры и фрагментации твердого диоксида углерода».[24] со следующей аннотацией:

Было показано, что твердый диоксид углерода (сухой лед), который существует метастабильно в виде постоянно сублимирующего молекулярного твердого вещества в окружающей среде с нормальной комнатной температурой, обладает многими микроструктурными особенностями, которые аналогичны тем, которые наблюдаются в металлах и керамике при температурах, приближающихся к их точкам плавления. Было проведено исследование факторов, влияющих на дорогостоящее состояние хрупкости, известное как «песчанистость», которое имеет место в изготовленных блоках сухого льда (поликристаллический твердый диоксид углерода). Было обнаружено, что песчанистость в значительной степени зависит от конкретных условий производства и хранения, которые вызывают чрезмерный рост зерен, что приводит к концентрации заполненных газом пор в уменьшающихся областях границ зерен.

Награды

Лучший доклад и презентация по теме «Соответствующее соединение» на 20-й конференции электронных компонентов 1970 г. в Вашингтоне, округ Колумбия (присуждена на 21-й конференции в 1971 г.)

Сертификат признательности за продвижение технологий микроэлектроники, Международное общество гибридной микроэлектроники (отделение в Индиане), 1971 год.

Выдающийся документ и презентация на тему «Связывание AlO: метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием» на 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям в 1993 г. (присуждена на 44-й конференции в 1994 г.)

Некоторые публикации и презентации

Физический дизайн электронных систем; Соавтор Интегрированных Устройств И Технологии Соединения: Prentice-Hall Inc., Энглвуд Клиффс, Нью-Джерси (1971)

Тонкопленочная технология; соавтор; Издательская компания Роберта Э. Кригера; Хантингтон, штат Нью-Йорк (1979)

Ультразвуковая сварка алюминия приводит к тонким пленкам тантала, Сделки Металлургического общества AIME, 1966 г.

Ультразвуковая сварка для горячей работы - метод облегчения течения металла за счет процессов восстановления, Материалы 20-й конференции по электронным компонентам IEEE. Вашингтон, округ Колумбия, май 1970 г.,

Соответствующее склеивание, Протоколы 1970 IEEE 20th Electronic Components Conference, 1970.

"Экструзия трубок с оболочкой из плавленого кремнезема для изготовления оптических волокон MCVD, Третья международная конференция по интегрированной оптике и оптоволоконной связи, Технический сборник, Сан-Франциско, Калифорния, апрель 1981.

Соединение AlO: метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием (в соавторстве), Труды 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям, 1993.

Внутрифирменный курс для инженеров «Металлургия склеивания металлов».

Смотрите также

Термозвуковое соединение

использованная литература

  1. ^ Харман, Г., Проволочные соединения в микроэлектронике, McGraw-Hill, Chapt. 2, pg.36, также ищите Coucoulas на https://www.amazon.com/WIRE-BONDING-MICROELECTRONICS-3-E/dp/0071476237/ref=sr_1_1?s=books&ie=UTF8&qid=1354948679&sr=1-1&keywords=wire+bonding+in+microelectronics#_ поиск Coucoulas
  2. ^ а б Coucoulas, A., Trans. Металлургическое общество AIME, "Ультразвуковая сварка алюминиевых свинцов тонких пленок тантала", 1966, стр. 587–589. Абстрактные https://sites.google.com/site/coucoulasthermosonicbondalta
  3. ^ а б c Кукулас А., "Ультразвуковая сварка горячим способом - метод облегчения течения металла за счет процессов восстановления", Proc. 20-я конференция по электронным компонентам IEEE. Вашингтон, округ Колумбия, май 1970 г., стр. 549–556.https://sites.google.com/site/hotworkultrasonicbonding
  4. ^ а б c Харман, Г., Соединение проводов в микроэлектронике, McGraw-Hill, 2010 г. ISBN  0-07-147623-7
  5. ^ T.R. Рид, "Чип: как два американца изобрели микрочип и совершили революцию"
  6. ^ а б A.Coucoulas, "Compliant Bonding" Proceedings 1970 20-я конференция IEEE по электронным компонентам, стр. 380-89, 1970.
  7. ^ A.Coucoulas, Benzoni, AM, Dautartas, MF, Dutta, R., Holland, WR, Nijander, CR, Woods, RE, AlO Bonding: метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием, стр. 471-481, Proceedings 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям, 1993 г.,https://www.researchgate.net/publication/3565139_AlO_bonding_a_method_of_joining_oxide_optical_components_toaluminium_coated_substrates
  8. ^ http://smithsonianchips.si.edu/patents/3533155.htm Коллекция микросхем - Патент США 3,533,155 - Смитсоновский институт smithsonianchips.si.edu/patents/3533155.htm Сохраненный патент США 3,533,155. 13 октября 1970 г. Склеивание с совместимой средой, поданной Александром Кукуласом 6 июля 1967 г. Изображение ПАТЕНТА США 3533155
  9. ^ а б http://www.google.com/patents/US5178319
  10. ^ http://www.worldnavalships.com/edgar_quinet_class.htm
  11. ^ Добкин, Марджори Хаспиан. Смирна 1922: Разрушение города. Нью-Йорк: Харкорт Брейс Йованович, 1971; 2-е изд. Кент, Огайо: Kent State University Press, 1988, стр. 102, 174, 117-121.
  12. ^ К.Л. Комарек, А. Кукулас и Н. Клингер, Журнал Электрохимического общества, т. 110, № 7, июль 1963 г. https://www.researchgate.net/publication/233854987_thesispublication
  13. ^ Ф. Блаха, Б. Лангенекер. Acta Metallurgica, 7, 1957 г.)
  14. ^ Хагар, К. (2000) Оценка срока службы алюминиевых проволочных соединений на основе расчетной пластичности, докторская диссертация
  15. ^ Burmeister, L .; и другие. (1994). «Термозвуковая связь контактов золотой проволоки с микроструктурами YBa2Cu3o7». Наука о сверхпроводимости. 7 (8): 569–572. Дои:10.1088/0953-2048/7/8/006.
  16. ^ Харман, Г., Соединение проводов в микроэлектронике, Макгроу-Хилл, гл. 2, стр. 36
  17. ^ Burmeister, L .; Reimer, D .; Шиллинг, М. (1994). «Термозвуковая связь контактов с золотой проволокой к YBa.2Cu3О7 микроструктуры ». Наука и технологии сверхпроводников. 7 (8): 569–572. Дои:10.1088/0953-2048/7/8/006.
  18. ^ Сек-Хо Вонг и другие. (2006) «Упаковка мощных светодиодов с использованием термозвукового соединения межсоединений Au-Au», Международная конференция Ассоциации технологий поверхностного монтажа.
  19. ^ http://smithsonianchips.si.edu/patents/3533155.htm Коллекция чипов - Патент США 3533155 - Смитсоновский институт smithsonianchips.si.edu/patents/3533155.htmCached Патент США 3533155. 13 октября 1970 г. Склеивание с совместимой средой, поданной Александром Кукуласом 6 июля 1967 г. Изображение ПАТЕНТА США 3533155
  20. ^ А. Кукулас, "Экструзия трубок с оболочкой из плавленого кремнезема (для изготовления оптических волокон MCVD), Третья международная конференция по интегрированной оптике и оптоволоконной связи, Технический сборник, Сан-Франциско, Калифорния, апрель 1981.
  21. ^ Coucoulas et al. Патент США 4.195.982
  22. ^ Coucoulas et al., Патент США 4350513
  23. ^ A. Coucoulas, Benzoni, AM, Dautartas, MF, Dutta, R., Holland, WR, Nijander, CR, Woods, RE, AlO Bonding: Метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием, стр. 471-481, Proceedings 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям, 1993 г. https://www.researchgate.net/publication/3565139_AlO_bonding_a_method_of_joining_oxide_optical_components_toaluminium_coated_substrates
  24. ^ А. Кукулас и Э. Грегори, "Некоторые наблюдения микроструктуры и фрагментации твердого диоксида углерода", Труды Металлургического общества AIME (Американский институт металлургической инженерии), стр. 1134–42, том 227, октябрь 1963 г. https://www.researchgate.net/publication/229079078_Some_Observations_On_the_Microstructure_and_Fragmentation_of_Solid_Carbon_Dioxide