La unión termosónica se utiliza ampliamente para unir circuitos integrados de silicio a ordenadores. George Harman, [1] la máxima autoridad mundial en unión por cable, nombró a Alexander Coucoulas "padre de la unión termosónica", y en su libro Wire Bonding In Microelectronics hizo referencia a las publicaciones de vanguardia de Coucoulas . [2] [3] Debido a la fiabilidad demostrada de las uniones termosónicas, se utilizan ampliamente para conectar las unidades centrales de procesamiento (CPU), que son circuitos integrados de silicio encapsulados que sirven como los "cerebros" de los ordenadores actuales.
Un enlace termosónico se forma utilizando un conjunto de parámetros que incluyen energías ultrasónicas, térmicas y mecánicas (fuerza). Una máquina de enlace termosónico incluye un transductor magnetoestrictivo o de tipo piezoeléctrico que se utiliza para convertir la 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 enlace calentada. Es similar a un enlace de fricción, ya que la introducción de energía ultrasónica (a través de una herramienta de enlace unida verticalmente a un transformador o bocina ultrasónica) entrega simultáneamente una fuerza y un movimiento vibratorio o de fregado a los puntos de contacto interfaciales entre un cable conductor deformable precalentado y las almohadillas metalizadas de un circuito integrado de silicio. Además del suministro de energía térmica, la transmisión de energía vibratoria ultrasónica crea un efecto de suavizado ultrasónico al interactuar en el nivel de red atómica del cable conductor precalentado. Estos dos efectos de ablandamiento facilitan enormemente la deformación del cable conductor al formar el área de contacto deseada utilizando temperaturas y fuerzas relativamente bajas. Como resultado de la acción de fricción y el ablandamiento ultrasónico inducido en el cable conductor precalentado durante el ciclo de unión, la unión termosónica se puede utilizar para unir de manera confiable cables conductores con un punto de fusión alto (como el oro y el aluminio y el cobre de menor costo) utilizando parámetros de unión relativamente bajos. Esto garantiza que el chip de circuito integrado de silicio frágil y costoso no esté expuesto a condiciones potencialmente dañinas al tener que utilizar parámetros de unión más altos (energía ultrasónica, temperaturas o fuerzas mecánicas) para deformar el cable conductor al formar el área de contacto requerida durante el proceso de unión.
Inicialmente denominada unión ultrasónica por trabajo en caliente por Alexander Coucoulas [2] [3], la unión termosónica pertenece a la categoría de unión metálica de estado sólido que se forma al unir dos superficies metálicas muy por debajo de sus respectivos puntos de fusión. Introducida por Coucoulas, la unión termosónica mejoró significativamente la confiabilidad de la unión lograda por las máquinas de unión de estado sólido comerciales disponibles al precalentar el cable conductor (y/o el chip de silicio metalizado) antes de introducir un ciclo de energía ultrasónica. [3]
Se ha descubierto que la unión termosónica une una amplia gama de metales conductores, como cables de aluminio y cobre, a películas delgadas de tantalio y paladio depositadas sobre sustratos de óxido de aluminio y vidrio, todo lo cual simula el chip de silicio metalizado. Además del ablandamiento térmico del cable conductor, la posterior aplicación de energía ultrasónica produjo un mayor ablandamiento al interactuar a nivel de red atómica del cable calentado (conocido como ablandamiento ultrasónico). [4] Estos dos mecanismos de ablandamiento independientes eliminaron la incidencia de agrietamiento en el frágil y costoso chip de silicio que fue observado por Coucoulas cuando utilizó las primeras máquinas de unión de estado sólido disponibles comercialmente. La mejora se produce porque el precalentamiento y el ablandamiento ultrasónico del cable conductor facilitan drásticamente la deformación para producir el área de contacto requerida utilizando un conjunto relativamente bajo de parámetros de unión. Dependiendo del nivel de temperatura y las propiedades del material del cable conductor, el inicio de la recristalización (metalurgia) o el trabajo en caliente del cable deformable puede ocurrir mientras está formando 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 cable se deformara ultrasónicamente a temperatura ambiente, se enfrentaría a un endurecimiento por deformación extenso ( trabajo en frío ) y, por lo tanto, tendería a transmitir tensiones mecánicas dañinas al chip de silicio.
En la actualidad, la mayoría de las conexiones al chip de 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 de energía vibratoria y fuerzas más bajos que la unión ultrasónica para formar el área de unión requerida. Por lo tanto, el uso de la unión termosónica elimina el daño al 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 si ocurren durante la etapa de fabricación o se detectan más tarde, durante una falla de campo operativo 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 chip invertido , que es un método alternativo para conectar eléctricamente circuitos integrados de silicio.
Los dispositivos de efecto Josephson e interferencia superconductora (DC SQUID ) también utilizan el proceso de enlace termosónico. En este caso, otros métodos de enlace degradarían o incluso destruirían las microestructuras de YBaCuO 7 , como los micropuentes, las uniones Josephson y los dispositivos de interferencia superconductora [6] (DC SQUID ).
Al conectar eléctricamente diodos emisores de luz con técnicas de unión termosónica, se ha demostrado un rendimiento mejorado del dispositivo. [7]