La unión termosónica se usa ampliamente para unir circuitos integrados de silicio en computadoras. Alexander Coucoulas fue nombrado "Padre de la unión termosónica" por George Harman, [1] la principal autoridad mundial en unión de cables, donde hizo referencia a las publicaciones de vanguardia de Coucoulas en su libro, Wire Bonding In Microelectronics . [2] [3] Debido a la confiabilidad probada de los enlaces termosónicos, se usa ampliamente para conectar las unidades centrales de procesamiento (CPU), que son circuitos integrados de silicio encapsulados que sirven como "cerebros" de las computadoras actuales.
Descripción
Un enlace termosónico se forma utilizando un conjunto de parámetros que incluyen energías ultrasónicas, térmicas y mecánicas (fuerza). Una máquina de unión termosónica incluye un transductor de tipo magnetoestrictivo o piezoeléctrico que se utiliza para convertir energía eléctrica en movimiento vibratorio que se conoce como piezoelectricidad . El movimiento vibratorio viaja a lo largo del sistema de acoplador, una parte que se estrecha para servir como transformador de velocidad. El transformador de velocidad amplifica el movimiento oscilatorio y lo entrega a una punta de unión calentada. Es similar a una unión por fricción, ya que la introducción de energía ultrasónica (a través de una herramienta de unión unida verticalmente a un transformador ultrasónico o bocina) entrega simultáneamente una fuerza y un movimiento vibratorio o de fregado a los puntos de contacto interfaciales entre un cable deformante precalentado. alambre y las almohadillas metalizadas de un circuito integrado de silicio. Además de la entrega de energía térmica, la transmisión de energía vibratoria ultrasónica crea un efecto de ablandamiento ultrasónico al interactuar en el nivel de la red atómica del cable conductor precalentado. Estos dos efectos de ablandamiento facilitan drásticamente la deformación del cable conductor al formar el área de contacto deseable usando temperaturas y fuerzas relativamente bajas. Como resultado de la acción de fricción y el ablandamiento ultrasónico inducidos en el cable de plomo precalentado durante el ciclo de unión, la unión termosónica se puede utilizar para unir de manera confiable cables de plomo de alto punto de fusión (como oro y aluminio y cobre de menor costo) usando parámetros de unión relativamente bajos. . Esto asegura que el frágil y costoso chip de circuito integrado de silicio no se exponga a condiciones potencialmente dañinas al tener que usar parámetros de unión más altos (energía ultrasónica, temperaturas o fuerzas mecánicas) para deformar el cable conductor y formar el área de contacto requerida durante el proceso de unión.
Fondo
Un enlace termosónico entra en la categoría de un enlace metálico de estado sólido que se forma al acoplar dos superficies metálicas muy por debajo de sus respectivos puntos de fusión. Coucoulas introdujo la unión termosónica que mejoró significativamente la confiabilidad de la unión producida por las máquinas de unión de estado sólido comerciales disponibles donde precalentaba el cable conductor (y / o el chip de silicio metalizado) antes de introducir un ciclo de energía ultrasónica. [3] Además del ablandamiento térmico del cable conductor, la entrega posterior de energía ultrasónica produjo un ablandamiento adicional al interactuar en el nivel de la red atómica del cable calentado (conocido como ablandamiento ultrasónico). [4] Estos dos mecanismos de ablandamiento independientes (precalentar el cable conductor y entregar la energía ultrasónica al nivel de la red atómica) eliminaron las incidencias de agrietamiento del frágil y costoso chip de silicio que observó Coucoulas al utilizar un enlace de estado sólido anterior disponible en el mercado. máquinas. La mejora se produce porque el precalentamiento y el ablandamiento ultrasónico del hilo conductor facilitaron drásticamente su deformación al formar el área de contacto requerida mientras se usaba un conjunto relativamente bajo de parámetros de unión. Dependiendo del nivel de temperatura y las propiedades del material del alambre conductor, puede ocurrir el inicio de la recristalización (metalurgia) o el trabajo en caliente del alambre deformado mientras se forma el área de contacto requerida. La recristalización tiene lugar en la región de endurecimiento por deformación del cable conductor donde ayuda al efecto de ablandamiento. Si el alambre se deforma ultrasónicamente a temperatura ambiente, tenderá a endurecerse mucho ( trabajo en frío ) y, por lo tanto, tenderá a transmitir tensiones mecánicas dañinas al chip de silicio. Se descubrió que la unión termosónica, inicialmente denominada unión ultrasónica de trabajo en caliente por Alexander Coucoulas , [2] [3] une una amplia gama de metales conductores como alambres de aluminio y cobre a películas delgadas de tántalo y paladio depositadas sobre sustratos de vidrio y óxido de aluminio todo lo cual simulaba el chip de silicio metalizado.
Aplicaciones
En la actualidad, la mayoría de las conexiones al chip del circuito integrado de silicio se realizan mediante unión termosónica [5] porque emplea temperaturas de unión, fuerzas y tiempos de permanencia más bajos que la unión por termocompresión , así como niveles y fuerzas de energía vibratoria más bajos que la unión ultrasónica para formar. el área de unión requerida. Por lo tanto, el uso de unión termosónica elimina el daño del chip de circuito integrado de silicio relativamente frágil durante el ciclo de unión. La confiabilidad probada de la unión termosónica lo ha convertido en el proceso de elección, ya que tales modos de falla potenciales podrían ser costosos, ya sea que ocurran durante la etapa de fabricación o se detecten más tarde, durante una falla de campo operacional de un chip que se había conectado dentro de una computadora o una miríada de otros dispositivos microelectrónicos.
La unión termosónica también se utiliza en el proceso de flip chip , que es un método alternativo para conectar eléctricamente circuitos integrados de silicio.
Los dispositivos de efecto Josephson y de interferencia superconductora (DC SQUID ) también utilizan el proceso de unión termosónica. En este caso, otros métodos de unión degradarían o incluso destruirían las microestructuras de YBaCuO 7 , como micropuentes, uniones de Josephson y dispositivos de interferencia superconductores [6] (DC SQUID ).
Cuando se conectan eléctricamente diodos emisores de luz con técnicas de unión termosónica, se ha demostrado un rendimiento mejorado del dispositivo. [7]
Ver también
Referencias
- ^ Harman, G., Unión de cables en microelectrónica, McGraw-Hill, Cap. 2, pág. 36, también busque Coucoulas en 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= alambre + unión + en + microelectrónica # _ buscar Coucoulas
- ^ a b Coucoulas, A., Trans. Sociedad Metalúrgica de AIME, "La soldadura ultrasónica de aluminio conduce a películas delgadas de tantalio", 1966, págs. 587–589. resumen https://sites.google.com/site/coucoulasthermosonicbondalta
- ^ a b c Coucoulas, A., "Unión ultrasónica de trabajo en caliente: un método para facilitar el flujo de metal mediante procesos de restauración", Proc. 20 ° Conf. De componentes electrónicos IEEE Washington, DC, mayo de 1970, págs. 549–556. https://sites.google.com/site/hotworkultrasonicbonding
- ^ F. Blaha, B. Langenecker. Acta Metallurgica, 7 (1957).
- ^ Harman, G., Unión de cables en microelectrónica , McGraw-Hill, Ch. 2, pág. 36
- ^ Burmeister, L .; Reimer, D .; Schilling, M. (1994). "Contactos de enlace termosónico con hilo de oro a microestructuras YBa 2 Cu 3 O 7 ". Ciencia y tecnología de superconductores . 7 (8): 569. Bibcode : 1994SuScT ... 7..569B . doi : 10.1088 / 0953-2048 / 7/8/006 .
- ^ Seck-Hoe Wong y col. (2006) "Empaquetado de LED de potencia mediante unión termosónica de interconexiones Au-Au" , Conferencia internacional de la Asociación de tecnología de montaje en superficie.