Термозвуковое соединение - Thermosonic bonding

Термозвуковое соединение широко используется для проволочного скрепления кремния интегральные схемы в компьютеры. Александр Кукулас был назван Джорджем Харманом "Отцом термосонической связи",[1] мировой авторитет в области проводных соединений, на который он сослался на передовые публикации Кукуласа в своей книге, Соединение проводов в микроэлектронике.[2][3] Благодаря хорошо зарекомендовавшей себя надежности термозвуковых соединений, он широко используется для соединения центральные процессоры (ЦП), которые представляют собой инкапсулированный кремний интегральные схемы которые служат «мозгом» современных компьютеров.

Описание

Термозвуковая связь формируется с использованием набора параметров, который включает ультразвуковую, тепловую и механическую (силовую) энергию. Термозвуковая машина для склеивания 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 (рисунок 2). Помимо передачи тепловой энергии, передача энергии ультразвуковых колебаний создает эффект смягчения ультразвука за счет взаимодействия на уровне атомной решетки предварительно нагретого выводного 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 воздействия 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 дешевый 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 площади контакта во время процесса соединения.

Фон

Провода, прикрепленные к кремниевой интегральной схеме с помощью термозвуковой связи

Термозвуковая связь попадает в категорию твердотельной металлической связи, которая образуется путем соединения двух металлических поверхностей значительно ниже их соответствующих точек плавления. Кукулас представил термозвуковое соединение, которое значительно улучшило надежность соединения, обеспечиваемую доступными коммерческими твердотельными аппаратами для связывания, где он предварительно нагрел выводной провод (и / или металлизированный кремниевый чип) перед введением ультразвукового энергетического цикла.[3] В дополнение к термическому размягчению свинцовой проволоки последующая подача ультразвуковой энергии приводила к дальнейшему размягчению за счет взаимодействия на уровне атомной решетки нагретой проволоки (известное как ультразвуковое размягчение).[4] 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 необходимой контактной площади при использовании относительно низкого набора параметров соединения. В зависимости от уровня температуры и свойств материала выводного провода наступление перекристаллизация (металлургия) или же горячая работа деформирующей проволоки может образоваться необходимая площадь контакта. Рекристаллизация происходит в области деформационного упрочнения выводного провода, где она способствует смягчающему эффекту. Если бы проволоку деформировали ультразвуком при комнатной температуре, она бы сильно затвердела (холодная обработка ) и поэтому имеют тенденцию передавать повреждающие механические нагрузки на кремниевый чип. Термозвуковое соединение, первоначально именуемое ультразвуковой сваркой горячим способом. Александр Кукулас,[2][3] Было обнаружено, что он связывает широкий спектр проводящих металлов, таких как алюминий и медная проволока, с тонкими пленками тантала и палладия, нанесенными на оксид алюминия и стеклянные подложки, все из которых моделируют металлизированный кремниевый чип.


Приложения

В настоящее время большинство подключений к кремниевой интегральной схеме выполняется с помощью термозвуковой связи.[5] потому что в нем используются более низкие температуры склеивания, силы и время выдержки, чем термокомпрессионное соединение, а также более низкие уровни вибрационной энергии и силы, чем ультразвуковая склейка чтобы сформировать необходимую площадь склеивания. 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.[6] (ОКРУГ КОЛУМБИЯ КАЛЬМАР ).

При электрическом подключении светодиоды с помощью методов термозвукового соединения были показаны улучшенные характеристики устройства.[7]

Смотрите также

Рекомендации

  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 алюминия и 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 с помощью 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. ^ Ф. Блаха, Б. Лангенекер. Acta Metallurgica, 7 (1957).
  5. ^ Харман, Г., Соединение проводов в микроэлектронике, Макгроу-Хилл, гл. 2, стр. 36
  6. ^ Burmeister, L .; Reimer, D .; Шиллинг, М. (1994). «Термозвуковая связь контактов с золотой проволокой к YBa.2Cu3О7 микроструктуры ». Наука и технологии сверхпроводников. 7 (8): 569. Bibcode:1994 SuScT ... 7..569B. Дои:10.1088/0953-2048/7/8/006.
  7. ^ Сек-Хо Вонг и другие. (2006) «Упаковка мощных светодиодов с использованием термозвукового соединения межсоединений Au-Au», Международная конференция Ассоциации технологий поверхностного монтажа.