Термозвуковая сварка
Термозвуковая сварка широко используется для соединения кремниевых интегральных схем в компьютерах. Александра Кукуласа «отцом термозвуковой сварки». Джордж Харман назвал [1] выдающийся мировой авторитет в области соединения проводов, где он сослался на передовые публикации Кукуласа в своей книге « Соединение проводов в микроэлектронике» . [2] [3] Благодаря хорошо зарекомендовавшей себя надежности термозвуковых связей, они широко используются для соединения центральных процессоров (ЦП), которые представляют собой инкапсулированные кремниевые интегральные схемы , служащие «мозгом» современных компьютеров.
Описание
[ редактировать ]Термозвуковая связь формируется с использованием набора параметров, включающих ультразвуковую, тепловую и механическую (силовую) энергии. Машина для термозвуковой сварки включает в себя преобразователь магнитострикционного или пьезоэлектрического типа, который используется для преобразования электрической энергии в вибрационное движение, известное как пьезоэлектричество . Вибрационное движение перемещается по соединительной системе, часть которой сужена и служит преобразователем скорости. Трансформатор скорости усиливает колебательное движение и передает его на нагретый наконечник. Это похоже на фрикционное соединение, поскольку введение ультразвуковой энергии (через соединительный инструмент, вертикально прикрепленный к ультразвуковому преобразователю или рупору) одновременно передает силу и вибрационное или чистящее движение к точкам контакта между поверхностями между предварительно нагретым деформирующим проводом. провод и металлизированные площадки кремниевой интегральной схемы. 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 площади контакта с использованием относительно низких температур и усилий. В результате фрикционного воздействия и ультразвукового размягчения, возникающего в предварительно нагретом проводе во время цикла сварки, термозвуковая сварка может использоваться для надежного соединения проводов с высокой температурой плавления (таких как золото и более дешевый алюминий и медь) с использованием относительно низких параметров соединения. . Это гарантирует, что хрупкий и дорогостоящий кремниевый чип интегральной схемы не будет подвергаться потенциально опасным условиям из-за необходимости использования более высоких параметров соединения (ультразвуковой энергии, температуры или механических сил) для деформации выводного провода при формировании необходимой площади контакта во время процесса соединения.
Фон
[ редактировать ]
называл его «Ультразвуковая сварка горячей обработки» Первоначально Александр Кукулас . [2] [3] Термозвуковая связь относится к категории твердотельной металлической связи, которая образуется путем соединения двух металлических поверхностей, температура плавления которых значительно ниже их соответствующих температур. Термозвуковая сварка, предложенная Coucoulas, значительно улучшила надежность соединения, достигаемую с помощью доступных коммерческих машин для твердотельной сварки за счет предварительного нагрева подводящего провода (и/или металлизированного кремниевого чипа) перед введением ультразвукового энергетического цикла. [3]
Было обнаружено, что термозвуковая связь связывает широкий спектр проводящих металлов, таких как алюминиевые и медные провода, с тонкими пленками тантала и палладия, нанесенными на подложки из оксида алюминия и стекла, которые имитируют металлизированный кремниевый чип. В дополнение к термическому размягчению подводящего провода последующая подача ультразвуковой энергии вызвала дальнейшее размягчение за счет взаимодействия на уровне атомной решетки нагретой проволоки (известное как ультразвуковое размягчение). [4] Эти два независимых механизма размягчения исключили возможность растрескивания хрупкого и дорогостоящего кремниевого чипа, которое наблюдалось Кукуласом при использовании ранее коммерчески доступных твердотельных склеивающих машин. Улучшение происходит потому, что предварительный нагрев и ультразвуковое размягчение провода значительно облегчают деформацию, обеспечивая необходимую площадь контакта при относительно низком наборе параметров соединения. В зависимости от уровня температуры и свойств материала провода может произойти начало рекристаллизации (металлургии) или горячей обработки деформирующей проволоки в процессе формирования ею необходимой площади контакта. Рекристаллизация происходит в зоне деформационного упрочнения подводящего провода, где она способствует эффекту размягчения; если проволока была деформирована ультразвуком при комнатной температуре, она подверглась бы сильному деформационному упрочнению ( холодной обработке ) и, следовательно, имела бы тенденцию передавать разрушительные механические напряжения на кремниевый чип.
Приложения
[ редактировать ]В настоящее время большинство соединений с кремниевыми интегральными схемами выполняются с использованием термозвуковой сварки. [5] используются более низкие температуры, силы и время выдержки соединения, чем при термокомпрессионном соединении , а также более низкие уровни энергии и силы вибрации, чем при ультразвуковом соединении поскольку для формирования необходимой площади соединения . Таким образом, использование термозвуковой сварки исключает повреждение относительно хрупкой кремниевой интегральной схемы во время цикла сварки. Доказанная надежность термозвукового соединения сделала его предпочтительным процессом, поскольку такие потенциальные отказы могут быть дорогостоящими, независимо от того, происходят ли они на этапе производства или обнаруживаются позже, во время эксплуатационного отказа микросхемы, которая была подключена внутри компьютера или множество других микроэлектронных устройств.
Термозвуковая сварка также используется в процессе переворачивания кристалла , 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 YBaCuO 7 , такие как микромосты, джозефсоновские переходы и сверхпроводящие интерференционные устройства. [6] (ДК КАЛЬМАР ).
При электрическом соединении светодиодов методами термозвуковой сварки показано улучшение характеристик устройства. [7]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ Харман, Г., Соединение проводов в микроэлектронике, McGraw-Hill, Глава. 2, стр. 36, также выполните поиск Coucoulas по адресу 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= проволока+связывание+в+микроэлектронике#_ поиск Coucoulas
- ^ Jump up to: а б Кукулас, А., Пер. Металлургическое общество AIME, «Ультразвуковая сварка алюминия с тонкими пленками тантала», 1966, стр. 587–589. аннотация https://sites.google.com/site/coucoulasthermosonicbondalta
- ^ Jump up to: а б с Кукулас, А., «Ультразвуковая сварка при горячей обработке – метод облегчения текучести металла посредством восстановительных процессов», Proc. 20-я конференция электронных компонентов IEEE. Вашингтон, округ Колумбия, май 1970 г., стр. 549–556. https://sites.google.com/site/hotworkultrasonicbonding
- ^ Ф. Блаха, Б. Лангенекер. Acta Metallurgica, 7 (1957).
- ^ Харман, Г., Соединение проводов в микроэлектронике , МакГроу-Хилл, Гл. 2, с. 36
- ^ Бурмейстер, Л.; Реймер, Д.; Шиллинг, М. (1994). «Термозвуковая связь контактов золотой проволоки с микроструктурами YBa 2 Cu 3 O 7 ». Сверхпроводниковая наука и технология . 7 (8): 569. Бибкод : 1994SuScT...7..569B . дои : 10.1088/0953-2048/7/8/006 .
- ^ Сек-Хоу Вонг и др. (2006) «Упаковка силовых светодиодов с использованием термозвукового соединения межкомпонентных соединений Au-Au» , Международная конференция Ассоциации технологий поверхностного монтажа.