Александр Кукулас

Александр Кукулас — американский изобретатель, инженер-исследователь и писатель. назвал его «отцом термозвуковой связи ». Джордж Харман ведущий мировой авторитет в области соединения проводов, где он сослался на передовые публикации Кукуласа в своей книге « Соединение проводов в микроэлектронике». Термозвуковая связь формируется с использованием набора параметров, включающих ультразвуковую, тепловую и механическую (силовую) энергии.

Термозвуковая сварка широко используется для электрического соединения кремниевых интегральных микропроцессоров . микросхем в компьютеры, а также во множество других электронных устройств, требующих проводного соединения .

Провода, подключенные к кремниевой интегральной схеме с помощью термозвуковой связи.

В результате того, что Кукулас представил в начале 1960-х годов провода для термозвуковой сварки, их применение и научные исследования, проводимые исследователями по всему миру, расширились, что подтверждается тысячами поисковых сайтов Google. Важнейшая доказанная надежность термозвукового соединения, подтвержденная этими исследованиями, сделала его предпочтительным процессом для соединения этих чрезвычайно важных электронных компонентов. А поскольку было показано, что относительно низкие параметры соединения образуют надежные термозвуковые связи, целостность хрупкого центрального процессора кремниевой интегральной схемы или ЦП гарантируется на протяжении всего предполагаемого срока его использования в качестве «мозга» компьютера.

Личное прошлое

Кукулас ушел из AT&T Bell Labs в качестве члена технического персонала в 1996 году, где он стал пионером исследований в области электронных и фотонных корпусов, лазерных технологий и оптических волокон, что привело к многочисленным патентам и публикациям. Он дважды был удостоен награды за лучшую работу, которую он представил на 20-й и 43-й конференциях IEEE по электронным компонентам в категории «Соответствующее соединение» в 1970 году. и AlO Bonding в 1993 году. оба из которых были его запатентованными изобретениями. Его родители-иммигранты из ионийско-греческого происхождения родились в библейском городе Смирне . Его отец-одиночка, Деметриос (Джеймс) Кукулас (искалеченный смирнейский греческий солдат), был спасен из прибрежных вод Эгейского моря японским военно-морским крейсером во время опустошительного пожара в Смирне в сентябре 1922 года. Японский крейсер доставил его в Переос, Греция, откуда он иммигрировал в Соединенные Штаты через остров Эллис на корабле SS King Alexander в ноябре того же года.

Кукулас — уроженец Нью-Йорка, который служил в армии США боевым инженером Дальневосточного командования в начале 1950-х годов и был награжден медалью за службу национальной обороны за Корейскую войну (1950-1954). Затем он получил степени бакалавра и магистра в области металлургической инженерии и материаловедения в Нью-Йоркском университете, которые финансировались за счет Закона о военнослужащих, стипендии для выпускников и подработок в столичном районе Нью-Йорка. Его дипломная работа была под руководством доктора Курта Комарека, бывшего ректора (президента) и нынешнего почетного профессора Венского университета. Кукулас вместе с доктором Комареком стал соавтором статьи, в которую вошла его диссертация. Его супруга, Мари Янсен Кукулас, играла значительную поддерживающую роль на протяжении всей его профессиональной карьеры, а также вносила свой вклад в благополучие детей с ограниченными возможностями обучения в качестве профессионального консультанта по обучению. Его дочери, Дайан и Андреа, отличились как профессор Университета Северной Каролины и консультант учащихся начальной школы соответственно.

Инженерные исследования

Термозвуковая сварка

В середине 1960-х годов Кукулас сообщил о первых термозвуковых соединениях проводов с использованием сочетания тепла, ультразвуковых колебаний и давления, что привело к его первому изобретению. Он впервые создал коммерческую ультразвуковую установку для склеивания проводов (способную передавать энергию вибрации и давление), чтобы исследовать прикрепление алюминиевых проводов к тонким пленкам тантала, нанесенным на стеклянные подложки, которые имитировали соединение выводного провода с хрупкой металлизированной кремниевой интегральной схемой «чип». ". Он заметил, что уровни ультразвуковой энергии и давления, необходимые для достаточной деформации проволоки и формирования необходимых площадей контакта, значительно увеличивают количество трещин в подложках стеклянных или кремниевых чипов. Затем к ультразвуковому аппарату для склеивания было добавлено средство нагрева области соединения. Затем область соединения была нагрета во время цикла ультразвуковой сварки, что практически исключило режим разрушения стекла, поскольку проволока резко деформировалась, образуя необходимую 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, где ее мягкость была повышена. По мере увеличения температуры склеивания начало рекристаллизации (механизм размягчения) происходит там, где деформационное упрочнение наиболее обширно. Таким образом, двойной механизм термического размягчения и ультразвукового размягчения, вызванный вибрационной энергией, взаимодействующей на уровне атомной решетки, способствовал желаемой деформации проволоки. Кристиан Хагар и Джордж Харман заявил, что в 1970 году Александр Кукулас сообщил о дополнительных работах по формированию термозвуковых соединений, которые он первоначально назвал горячими ультразвуковыми соединениями. В этом случае медные проволоки были приклеены к тонким пленкам палладия, нанесенным на подложки из оксида алюминия. В результате этих первых сообщений о термозвуковых проволочных связях Г. Харман заявил, что «таким образом, Александр Кукулас является отцом термозвуковой связи». В настоящий момент, большинство соединений с кремниевыми интегральными схемами выполняются с использованием термозвуковой сварки, поскольку для формирования необходимой площади соединения используются более низкие температуры, силы и время выдержки соединения, чем при термокомпрессионной сварке, а также более низкие уровни энергии вибрации, чем при ультразвуковой сварке. В результате использования более низких параметров склеивания для формирования необходимой площади контакта термозвуковая сварка в значительной степени исключает повреждение относительно хрупкой микросхемы кремниевой интегральной схемы во время цикла склеивания. 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 микрочипа, который был постоянно подключен внутри. компьютер или множество других электронных устройств.

Бурмейстер и др. из Гамбургского университета, Германия, сообщили, что использование исключительно ультразвуковой мощности для соединения золотых проволок с микроструктурами YBa2Cu3O7, такими как микромосты, джозефсоновские переходы и сверхпроводящие интерференционные устройства (СКВИДЫ постоянного тока), может привести к их разрушению. Исследователи также обнаружили, что проблема была решена с помощью процесса термозвуковой сварки Кукуласа, при котором устройство с микроструктурой оставалось неповрежденным, чтобы его можно было использовать.

Растущее применение термозвуковой сварки

Большинство соединений с кремниевой интегральной микросхемой выполняются с использованием термозвуковой сварки. поскольку для формирования необходимой площади соединения 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. 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. (ДК КАЛЬМАР ).

При электрическом соединении светодиодов методами термозвуковой сварки показано улучшение характеристик устройства.

Совместимое соединение

«Соответствующее соединение» было удостоено награды за лучшую презентацию и публикацию на конференции IEEE Electronic Components Conf. Нажмите на фотографию, чтобы прочитать исходное разрешение файла.

Патент «Соответствующее соединение». Нажмите выше, чтобы прочитать исходный файл

После того, как он стал пионером в области термозвуковой сварки, Кукулас изобретает «совместимое соединение». который был средством твердотельного соединения расширенных электроформованных выводов «чипа с лучевыми выводами» с внешним миром. Это был уникальный метод твердотельного соединения, при котором энергия соединения (тепло и давление) передавалась через податливую алюминиевую ленту. Гибкая лента компенсировала разницу в толщине выводов балки, а также выступала в качестве носителя стружки к месту соединения. В 1971 году он был удостоен награды за лучшую презентацию по теме «Соответствующее соединение». который был среди более чем 90 документов, представленных на 20-й конференции IEEE по электронным компонентам в 1970 году инженерами и учеными-исследователями со всего мира.

Нажмите на картинку, чтобы увеличить изображение

• 
  Этапы податливого приклеивания золотых проволок к золотой металлизированной поверхности. Нажмите на картинку, чтобы увеличить ее.
• 
  Кремниевые интегральные схемы, показывающие присоединенные и вытянутые гальванопластиковые выводы пучка вокруг кремниевого чипа.
• 
  Твердотельные провода, соединенные непосредственно с металлизированными контактными площадками кремниевой интегральной схемы.
• 
  Инструмент для склеивания с твердым покрытием, одновременно склеивающий все удлиненные выводы балки
• 
  Соответствующее соединение кремниевой интегральной схемы с лучевым выводом, демонстрирующее совместимый элемент с отступом после соединения «чипа».

Связь AlO, используемая для формирования фотонного переключателя

Патент на соединение AlO

Спустя двадцать три года после получения награды за лучшую бумагу для соответствующего склеивания, Кукулас снова был удостоен награды «Выдающаяся бумага» на 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям в 1993 году. Она называлась «Склеивание AlO: метод соединения оксидных оптических компонентов с алюминиевым покрытием». Субстраты». Он также получил патент США на изобретение связи AlO.

Микроструктура твердого углекислого газа («сухого льда»)

Первой промышленной исследовательской должностью Кукуласа была работа в центральном исследовательском центре по сокращению воздуха в Нью-Джерси, где он исследовал и был соавтором статьи в трудах Металлургического общества AIME под названием «Некоторые наблюдения за микроструктурой и фрагментацией твердого диоксида углерода». со следующим аннотацией:

Было показано, что твердый диоксид углерода (сухой лед), который метастабильно существует в виде постоянно сублимирующегося молекулярного твердого вещества в условиях нормальной комнатной температуры, обладает многими микроструктурными особенностями, сходными с теми, которые наблюдаются в металлах и керамике при температурах, приближающихся к точкам их плавления. Было проведено исследование факторов, влияющих на дорогостоящее состояние хрупкости, известное как «песчанистость», которое возникает в изготовленных блоках сухого льда (поликристаллического твердого диоксида углерода). Было обнаружено, что песчанистость сильно зависит от конкретных условий производства и хранения, которые вызывают чрезмерный рост зерен, что приводит к концентрации газонаполненных пор в уменьшающихся областях границ зерен.

Награды

• Лучшая статья и презентация по совместимому соединению на 20-й конференции по электронным компонентам 1970 г. в Вашингтоне, округ Колумбия (награждена на 21-й конференции в 1971 г.)
• Почетная грамота за развитие технологий микроэлектроники, Международное общество гибридной микроэлектроники (отделение в Индиане), 1971 г.
• Выдающаяся статья и презентация «Связывание AlO: метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием» на 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям в 1993 году (награждена на 44-й конференции в 1994 году).

Избранные публикации и презентации

• Физическое проектирование электронных систем; соавтор технологии интегрированных устройств и соединений: Prentice-Hall Inc., Энглвуд-Клиффс, Нью-Джерси (1971).
• Тонкопленочная технология ; соавтор; Издательская компания Роберта Э. Кригера; Хантингтон, штат Нью-Йорк (1979)
• Ультразвуковая сварка алюминия с тонкими пленками тантала , Труды Металлургического общества AIME, 1966 г.
• Ультразвуковая сварка при горячей обработке - метод облегчения текучести металла посредством восстановительных процессов , материалы 20-й конференции IEEE по электронным компонентам. Вашингтон, округ Колумбия, май 1970 г.
• Соответствующее соединение , Труды 1970 г. 20-я конференция IEEE по электронным компонентам, 1970 г.
• «Экструзия трубок с оболочкой из плавленого кварца для изготовления оптических волокон MCVD», Третья международная конференция по интегрированной оптике и оптоволоконной связи, Технический дайджест, Сан-Франциско, Калифорния, апрель 1981 г.
• Соединение AlO: метод соединения оксидных оптических компонентов с подложками с алюминиевым покрытием (в соавторстве), Материалы 43-й конференции по электронным компонентам и технологиям, 1993.
• Внутрифирменный курс для инженеров «Металлургия соединения металлов».