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サーモソニック接合は、シリコン集積回路をコンピュータにワイヤボンディングするために広く使用されています。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]は、アレクサンダー・クークーラスを「サーモソニック接合の父」と呼び、クークーラスの最先端の出版物を著書「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」で参照しています。[2] [3]サーモソニック接合の信頼性は十分に実証されているため、今日のコンピュータの「頭脳」として機能する カプセル化されたシリコン集積回路である中央処理装置（CPU）の接続に広く使用されています。
説明
サーモソニック接合は、超音波、熱、および機械（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。サーモソニック接合機には、電気エネルギーを圧電として知られる振動運動に変換するために使用される磁歪または圧電型トランスデューサーが含まれています。振動運動は、速度変換器として機能するように先細りになっているカプラシステムに沿って進みます。速度変換器は振動運動を増幅し、加熱された接合先端に伝えます。これは摩擦接合に似ています。超音波エネルギーの導入（超音波変換器またはホーンに垂直に取り付けられた接合ツール経由）により、予熱された変形リード線とシリコン集積回路の金属化パッドの間の界面接触点に力と振動またはこすり運動が同時に伝えられるからです。熱エネルギーの伝達に加えて、超音波振動エネルギーの伝達により、予熱されたリード線の原子格子レベルで相互作用して超音波軟化効果が生じます。これら 2 つの軟化効果により、比較的低い温度と力で望ましい接触領域が形成され、リード線の変形が劇的に促進されます。接合サイクル中に予熱されたリード線に摩擦作用と超音波軟化が誘発される結果、サーモソニック接合を使用すると、比較的低い接合パラメータを使用して、高融点リード線 (金や低コストのアルミニウムや銅など) を信頼性高く接合できます。これにより、脆弱で高価なシリコン集積回路チップが、接合プロセス中に必要な接触領域を形成するためにリード線を変形させるのに高い接合パラメータ (超音波エネルギー、温度、または機械力) を使用する必要が生じ、損傷の恐れのある状況に晒されることがなくなります。
背景
当初アレクサンダー・クークーラスによって熱間作業超音波接合と呼ばれた[2] [3]熱超音波接合は、2つの金属表面をそれぞれの融点よりはるかに低い温度で接合することによって形成される固体金属接合のカテゴリーに分類されます。クークーラスによって導入された熱超音波接合は、超音波エネルギーサイクルを導入する前にリード線（および/または金属化シリコンチップ）を予熱することにより、市販の固体接合機によって達成される接合信頼性を大幅に改善しました。[3]
熱超音波接合は、アルミニウムや銅線などの幅広い導電性金属を、金属化シリコンチップをシミュレートした酸化アルミニウムおよびガラス基板上に堆積したタンタルおよびパラジウムの薄膜に接合できることがわかった。リード線の熱軟化に加えて、その後の超音波エネルギーの供給により、加熱されたワイヤの原子格子レベルで相互作用してさらに軟化が進んだ（超音波軟化として知られる）。[4]これらの 2 つの独立した軟化メカニズムにより、以前に市販されていたソリッドステート接合装置を使用したときに Coucoulas が観察した、壊れやすく高価なシリコンチップの亀裂の発生が解消された。この改善は、リード線の予熱と超音波軟化により、比較的低い接合パラメータのセットを使用して必要な接触領域を生成するための変形が劇的に緩和されるためである。リード線の温度レベルと材料特性に応じて、必要な接触領域を形成している間に、変形するワイヤの再結晶化（冶金）または熱間加工が開始される可能性がある。再結晶化はリード線のひずみ硬化領域で起こり、軟化効果を助けます。ワイヤが室温で超音波変形されると、広範囲にわたるひずみ硬化（冷間加工）が発生し、シリコン チップに損傷を与える機械的応力が伝わる傾向があります。
アプリケーション
現在、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[5]を使用して行われています。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。これは、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でも、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でも、コストがかかる可能性があるためです。
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。
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[6]（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。[7]
参照
参考文献
- ^ Harman, G., Wire Bonding In Microelectronics、McGraw-Hill、第 2 章、36 ページ、また、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#_ で Coucoulas を検索してください。
- ^ ab Coucoulas, A.、Trans. Metallurgical Society Of AIME、「アルミニウムリードのタンタル薄膜への超音波溶接」、1966 年、pp. 587–589。要約 https://sites.google.com/site/coucoulasthermosonicbondalta
- ^ abc Coucoulas, A.、「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」、Proc. 20th IEEE Electronic Components Conf. ワシントン DC、1970 年 5 月、pp. 549–556。https://sites.google.com/site/hotworkultrasonicbonding
- ^ F. Blaha、B. Langenecker. Acta Metallurgica、7 (1957)。
- ^ Harman, G.,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、McGraw-Hill、第 2 章、36 ページ
- ^ Burmeister, L.; Reimer, D.; Schilling, M. (1994). 「金線による熱超音波接合と YBa 2 Cu 3 O 7微細構造の接合」.超伝導科学技術. 7 (8): 569. Bibcode :1994SuScT...7..569B. doi :10.1088/0953-2048/7/8/006.
- ^ Seck-Hoe Wong他(2006)「Au-Au 相互接続の熱超音波接合を使用したパワー LED のパッケージング」、表面実装技術協会国際会議。