アレクサンダー・クークラ

アレクサンダー・クークーラスは、アメリカの発明家、研究技術者、作家です。彼は、ワイヤボンディングの世界的権威であるジョージ・ハーマン^{[1]によって「超}音波熱接合の父」と呼ばれ、著書「マイクロエレクトロニクスにおけるワイヤボンディング」の中でクークーラスの最先端の出版物に言及しています。^{[2] [3]} 超音波熱接合は、超音波、熱、機械（力）エネルギーを含む一連のパラメータを使用して形成されます。

サーモソニックボンディングは、シリコン集積回路マイクロプロセッサチップ^{[4] [5]をコンピュータに電気的に接続するために広く使用されているほか、}ワイヤボンディングを必要とする他のさまざまな電子機器にも使用されています。

1960 年代初頭に Coucoulas が熱超音波接合リード線を導入した結果、世界中の研究者によるその応用と科学的調査が拡大し、Google 検索サイトの何千ものサイトによってそれが裏付けられました。これらの調査によって裏付けられた熱超音波接合の極めて重要な実証済みの信頼性により、この接合はこれらの極めて重要な電子部品を接続するための最適なプロセスとなりました。また、比較的低い接合パラメータで信頼性の高い熱超音波接合が形成されることが示されたため、壊れやすいシリコン集積回路チップの中央処理装置( CPU)の完全性は、コンピューターの「頭脳」としての使用期間全体にわたって保証されます。

Coucoulas 氏は 1996 年にAT&T ベル研究所 の技術スタッフの一員として退職し、そこで電子/フォトニクス パッケージング、レーザー技術、光ファイバーの分野で先駆的な研究を行い、多数の特許と出版物を生み出しました。彼は、1970年に「コンプライアントボンディング」^[6] と1993年にAlOボンディング^[7]で、第20回と第43回IEEE電子部品会議で2度最優秀論文賞を受賞しました。これらは両方とも彼の特許取得済みの発明でした。^{[8] [9]} 彼のイオニア系ギリシャ人移民の両親は、聖書に登場する都市スミルナで生まれました。彼のひとり親である父、デメトリオス（ジェームズ）コウコウラス（傷ついたスミルナのギリシャ人兵士）は、 1922年9月のスミルナの壊滅的な火災の最中に、エーゲ海沿岸で日本海軍の巡洋艦に救助されました。日本の巡洋艦は彼をギリシャのペレウスに連れて行き、そこで彼は同年11月にSSキングアレクサンダー号でエリス島を経由して米国に移住しました。 ^{[10] [11]}

クークーラスは生粋のニューヨーカーで、1950年代初頭にアメリカ陸軍の極東軍で戦闘工兵として従軍し、朝鮮戦争（1950-1954年）で国防功労章を受章した。その後、復員兵援護法、大学院奨学金、ニューヨーク都市圏でのアルバイトで賄い、ニューヨーク大学で冶金工学と材料科学の学士号と修士号を取得した。大学院の論文は、ウィーン大学の元学長で現名誉教授のクルト・コマレク博士の指導の下で執筆された。クークーラスはコマレク博士と共同で論文を執筆し、その中にクークーラスの論文も含まれている。^[12]妻のマリー・ヤンセン・クークーラスは、クークーラスの職業人生を通して重要な支援役を務める一方、プロの学習コンサルタントとして学習障害のある子供たちの福祉にも貢献した。彼の娘、ダイアンとアンドレアは、それぞれノースカロライナ大学の教授と小学生カウンセラーとして活躍しました。

1960 年代半ば、クークーラス^{[2] [3]}は、熱、超音波振動、圧力の組み合わせを使用した最初の熱超音波ワイヤボンドを報告し、これが彼の最初の発明につながりました。彼は最初に、ガラス基板上に堆積したタンタル薄膜へのアルミニウムワイヤの取り付けを調査するために、商用超音波ワイヤボンダー (振動エネルギーと圧力を伝達可能) をセットアップしました。これは、脆弱な金属化シリコン集積回路「チップ」へのリードワイヤのボンディングをシミュレートするものでした。彼は、ワイヤを十分に変形させて必要な接触領域を形成するために必要な超音波エネルギーと圧力のレベルにより、ガラスまたはシリコンチップ基板の亀裂の発生が大幅に増加することを観察しました。その後、接合領域を加熱する手段が超音波ボンダーに追加されました。その後、超音波接合サイクル中に接合領域が加熱され、大幅に低い超音波エネルギーと圧力レベルを使用してワイヤが大幅に変形して必要な接触領域を形成したため、ガラスの破損モードが事実上排除されました。超音波接合サイクル中のワイヤ変形の増大は、冷間加工（またはワイヤのひずみ硬化）から、ワイヤの柔らかさが増大する熱間加工条件に近い状態への移行に起因する。接合温度が上昇すると、ひずみ硬化が最も広範囲に及ぶ場所で再結晶化（軟化メカニズム）が始まる。したがって、熱軟化と、原子格子レベルで相互作用する振動エネルギーによって引き起こされる超音波軟化の二重メカニズムにより、^[13]望ましいワイヤ変形が促進された。Christian Hagar ^[14]と George Harman ^[4]は、1970 年に Alexander Coucoulas ^[3]が、当初熱間加工超音波接合と呼んだ熱超音波型接合の形成に関する追加研究を報告したと述べた。この場合、銅線は、酸化アルミニウム基板上に堆積されたパラジウム薄膜に接合された。これらの最も初期の熱超音波ワイヤ接合の報告の結果、G.Harman ^{[4] は}「このように、Alexander Coucoulas は熱超音波接合の父である」と述べた。現在、^{[いつ? ]}シリコン集積回路への接続の大部分は、熱超音波接合を使用して行われます。これは、熱圧縮接合よりも低い接合温度、接合力、および接合時間、ならびに超音波接合よりも低い振動エネルギー レベルを使用して、必要な接合領域を形成するためです。必要な接触領域を形成するために低い接合パラメータを使用する結果、熱超音波接合では、接合サイクル中に比較的壊れやすいシリコン集積回路マイクロチップが損傷されることが大幅になくなります。熱超音波接合は信頼性が実証されているため、選択されるプロセスとなっています。なぜなら、そのような潜在的な故障モードは、製造段階で発生するか、またはコンピューターまたは他の無数の電子機器内に恒久的に接続されたマイクロチップの運用現場での故障中に後で検出されるかに関係なく、コストがかかる可能性があるからです。

ドイツのハンブルク大学のバーマイスターらは、マイクロブリッジ、ジョセフソン接合、超伝導干渉デバイス（DC SQUIDS）などのYBa2Cu3O7微細構造に金線を接合するのに超音波パワーのみを使用すると、それらのデバイスが劣化する可能性があると報告した。研究者らはさらに、クークーラの熱超音波接合プロセスを使用することで、微細構造デバイスをそのまま残して使用できるため、この問題は克服できることを発見した。^[15]

シリコン集積回路チップへの接続の大部分は、熱超音波接合^[16]を使用して行われます。これは、熱圧縮接合よりも接合温度、接合力、接合時間が低く、必要な接合領域を形成するための振動エネルギーレベルと力が超音波接合よりも低いためです。したがって、熱超音波接合を使用すると、接合サイクル中に比較的壊れやすいシリコン集積回路チップが損傷することはありません。熱超音波接合は信頼性が実証されているため、選択されるプロセスとなっています。なぜなら、そのような潜在的な故障モードは、製造段階で発生した場合も、コンピューターや他の無数のマイクロエレクトロニクスデバイス内に接続されたチップの運用現場での故障中に後で検出された場合も、コストがかかる可能性があるからです。

サーモソニック接合は、シリコン集積回路を電気的に接続する代替方法であるフリップチッププロセスでも使用されます。 ^[要出典]

ジョセフソン効果と超伝導干渉（DC SQUID）デバイスも熱超音波接合プロセスを使用しています。この場合、他の接合方法では、マイクロブリッジ、ジョセフソン接合、超伝導干渉デバイス^[17]（DC SQUID） などのYBaCuO _{7微細構造が劣化したり、破壊されたりする恐れがあります。}

発光ダイオードを熱超音波接合技術で電気的に接続すると、デバイスの性能が向上することが示されています。^[18]

熱超音波接合の先駆者となったクークーラスは、その後「ビームリードチップ」の延長された電気鋳造リードを外部に固体接合する手段である「コンプライアントボンディング」 ^[19]を発明しました。これは、接合エネルギー (熱と圧力) がコンプライアントアルミテープを通して伝達されるという点で、固体接合のユニークな方法でした。コンプライアントテープは、ビームリードの厚さのばらつきを克服し、接合場所へのチップキャリアとしても機能しました。1971年、クークーラスは「コンプライアントボンディング」^[6]で最優秀論文賞を受賞しました。この論文は、1970年の第20回IEEE電子部品会議で世界中のエンジニアや研究者によって発表された90以上の論文の1つでした。

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  金線を金メッキ表面にコンプライアントボンディングする段階 画像をクリックすると拡大します
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  シリコンチップの周囲に取り付けられ延長された電気鋳造ビームリードを示すシリコン集積回路
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  シリコン集積回路チップの金属化パッドに直接固体接合されたワイヤ
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  ハードフェースボンディングツールは、延長されたビームリードすべてを同時にボンディングします。
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  ビームリード付きシリコン集積回路のコンプライアントボンディング。「チップ」をボンディングした後の、へこんだコンプライアント部材を示しています。

コンプライアントボンディングで最優秀論文賞を受賞してから23年後、クークーラスは1993年の第43回電子部品技術会議で再び「優秀論文」を受賞した。その論文のタイトルは「AlOボンディング：酸化物光学部品をアルミニウムコーティング基板に接合する方法」であった。^[20]また、彼はAlOボンディングの発明により米国特許も取得した。^[9]

クークーラスの最初の産業研究職はニュージャージー州の空気還元中央研究施設であり、そこで彼は「固体二酸化炭素の微細構造と断片化に関するいくつかの観察」と題する論文をAIME冶金学会誌に共同執筆し、次のような要旨で発表した。 ^[21]

固体二酸化炭素 (ドライアイス) は、通常の室温環境では絶えず昇華する分子固体として準安定状態にあり、融点に近い温度で金属やセラミックに見られるものと類似した多くの微細構造特性を示すことが示されています。製造されたドライアイス (多結晶固体二酸化炭素) ブロックで発生する「砂状」と呼ばれる、コストのかかる脆性状態に影響を与える要因について調査が行われました。砂状は、特定の製造条件と保管条件に大きく依存しており、過剰な粒成長を引き起こし、減少する粒界領域にガスが充満した細孔が集中する原因となることが判明しました。

• 1970 年にワシントン DC で開催された第 20 回電子部品会議におけるコンプライアント ボンディングに関する最優秀論文およびプレゼンテーション (1971 年の第 21 回会議で受賞)
• マイクロエレクトロニクス技術の進歩に対する感謝状、国際ハイブリッドマイクロエレクトロニクス協会 (インディアナ支部) 1971 年。
• 1993 年の第 43 回電子部品および技術会議における「AlO 結合: 酸化物光学部品をアルミニウム コーティング基板に接合する方法」に関する優れた論文とプレゼンテーション。(1994 年の第 44 回会議で受賞)

• 電子システムの物理設計、共著『Integrated Device And Connection Technology: Prentice-Hall Inc., Englewood Cliffs, New Jersey (1971)』
• 薄膜技術、共著、ロバート・E・クリーガー出版会社、ハンティントン、NY (1979)
• アルミニウムの超音波溶接によるタンタル薄膜の生成、AIME 冶金学会誌、1966 年
• 熱間作業超音波接合 - 修復プロセスによる金属の流れを促進する方法、議事録 20th IEEE Electronic Components Conf. ワシントン DC、1970 年 5 月
• コンプライアントボンディング、議事録 1970 IEEE 第 20 回電子部品会議、1970 年。
• 「MCVD 光ファイバー製造用溶融シリカクラッドチューブの押し出し加工」、第 3 回国際統合光学および光ファイバー通信会議、テクニカル ダイジェスト、カリフォルニア州サンフランシスコ、1981 年 4 月。
• AlO 接合: 酸化物光学部品をアルミニウムコーティング基板に接合する方法(共著)、第 43 回電子部品および技術会議の議事録、1993 年。
• 技術者向け社内講座「金属接合の冶金学」開催。