الربط الحراري الصوتي

تُستخدم تقنية الربط الحراري الصوتي على نطاق واسع لربط الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون في أجهزة الكمبيوتر. وقد أطلق جورج هارمان، ^{[ 1 ]} وهو أبرز خبير في مجال ربط الأسلاك في العالم، لقب "أبو الربط الحراري الصوتي" على ألكسندر كوكولاس ، حيث أشار إلى منشورات كوكولاس الرائدة في كتابه " ربط الأسلاك في الإلكترونيات الدقيقة " . ^{[ 2 ] [ 3 ]} ونظرًا للموثوقية العالية التي أثبتتها تقنية الربط الحراري الصوتي، فإنها تُستخدم على نطاق واسع لتوصيل وحدات المعالجة المركزية (CPUs)، وهي عبارة عن دوائر متكاملة من السيليكون مغلفة تعمل بمثابة "عقول" أجهزة الكمبيوتر الحديثة.

يستخدم الربط الحراري الصوتي على نطاق واسع لتوصيل رقائق المعالجات الدقيقة ذات الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون كهربائيا ^{[ 4 ] [ 5 ]} بأجهزة الكمبيوتر بالإضافة إلى عدد لا يحصى من الأجهزة الإلكترونية الأخرى التي تتطلب ربط الأسلاك .

نتيجةً لتقديم كوكولاس تقنية الربط الحراري الصوتي لأسلاك التوصيل في أوائل الستينيات، تزايدت تطبيقاتها وأبحاثها العلمية من قبل الباحثين في جميع أنحاء العالم. وقد جعلت موثوقية الربط الحراري الصوتي منه الخيار الأمثل لتوصيل هذه المكونات الإلكترونية بالغة الأهمية. ونظرًا لأن معايير الربط المنخفضة نسبيًا أثبتت قدرتها على تكوين روابط حرارية صوتية موثوقة، فإن سلامة وحدة المعالجة المركزية ( CPU) المصنوعة من رقاقة السيليكون المتكاملة الحساسة مضمونة طوال فترة استخدامها المقصودة كـ"عقل" الحاسوب.

تُشكّل وصلة حرارية صوتية باستخدام مجموعة من المعايير تشمل الطاقة فوق الصوتية والحرارية والميكانيكية (القوة). تتضمن آلة الوصل الحراري الصوتي محول طاقة مغناطيسي انضغاطي أو كهرضغطي يُستخدم لتحويل الطاقة الكهربائية إلى حركة اهتزازية تُعرف بالكهرضغطية . تنتقل الحركة الاهتزازية على طول نظام الموصل، وهو جزء مخروطي الشكل يعمل كمحول سرعة. يُضخّم محول السرعة الحركة التذبذبية وينقلها إلى طرف الوصل المُسخّن. تُشبه هذه الوصلة وصلة الاحتكاك، حيث يُؤدي إدخال الطاقة فوق الصوتية (عبر أداة وصل مُثبّتة عموديًا على محول أو بوق فوق صوتي) إلى توليد قوة وحركة اهتزازية أو احتكاكية في آنٍ واحد إلى نقاط التلامس بين سلك التوصيل المُسخّن مسبقًا والوسادات المعدنية لدائرة متكاملة من السيليكون. بالإضافة إلى توصيل الطاقة الحرارية ، يُحدث انتقال طاقة الاهتزازات فوق الصوتية تأثيرًا مُليّنًا فوق صوتيًا من خلال التفاعل على مستوى الشبكة الذرية لسلك التوصيل المُسخّن مسبقًا. يُسهّل هذان التأثيران المُليّنان بشكلٍ كبير تشكيل سلك التوصيل من خلال تكوين منطقة التلامس المطلوبة باستخدام درجات حرارة وقوى منخفضة نسبيًا. نتيجةً للاحتكاك والتليين فوق الصوتي المُستحث في سلك التوصيل المُسخّن مسبقًا أثناء عملية الربط، يُمكن استخدام الربط الحراري الصوتي لربط أسلاك التوصيل ذات نقطة الانصهار العالية (مثل الذهب والألومنيوم والنحاس الأقل تكلفة) بشكلٍ موثوق باستخدام معايير ربط منخفضة نسبيًا. هذا يضمن عدم تعريض شريحة الدائرة المتكاملة المصنوعة من السيليكون، الهشة والمكلفة، لظروف قد تُلحق الضرر بها نتيجةً لاستخدام معايير ربط أعلى (طاقة فوق صوتية، أو درجات حرارة، أو قوى ميكانيكية) لتشكيل سلك التوصيل وتكوين منطقة التلامس المطلوبة أثناء عملية الربط.

أُطلق على هذه التقنية في البداية اسم "الربط بالموجات فوق الصوتية في العمل الساخن" من قِبل ألكسندر كوكولاس ، ^{[ 2 ] [ 3 ]} وهي تندرج ضمن فئة الروابط المعدنية في الحالة الصلبة، والتي تتشكل عن طريق تلامس سطحين معدنيين عند درجات حرارة أقل بكثير من درجة انصهارهما. وقد حسّن الربط بالموجات فوق الصوتية، الذي ابتكره كوكولاس، بشكل ملحوظ موثوقية الربط التي توفرها آلات الربط التجارية المتوفرة في الحالة الصلبة، وذلك عن طريق التسخين المسبق لسلك التوصيل (أو شريحة السيليكون المعدنية) قبل تطبيق دورة طاقة الموجات فوق الصوتية. ^{[ 3 ]}

وُجد أن الربط الحراري الصوتي يربط مجموعة واسعة من المعادن الموصلة، مثل أسلاك الألومنيوم والنحاس، بأغشية رقيقة من التنتالوم والبلاديوم مُرَسَّبة على ركائز من أكسيد الألومنيوم والزجاج، وكلها تُحاكي رقاقة السيليكون المعدنية. بالإضافة إلى التليين الحراري لسلك التوصيل، أدى التوصيل اللاحق للطاقة فوق الصوتية إلى مزيد من التليين من خلال التفاعل على مستوى الشبكة الذرية للسلك المُسخَّن (المعروف بالتليين فوق الصوتي). ^{[ 6 ]} وقد قضت آليتا التليين المستقلتان هاتان على حدوث التشققات في رقاقة السيليكون الهشة والمكلفة، والتي لاحظها كوكولاس عند استخدام آلات الربط الصلبة المتوفرة تجاريًا سابقًا. ويحدث هذا التحسن لأن التسخين المسبق والتليين فوق الصوتي لسلك التوصيل يُسهِّلان التشوه بشكل كبير، مما يُنتج مساحة التلامس المطلوبة باستخدام مجموعة منخفضة نسبيًا من معايير الربط. واعتمادًا على مستوى درجة الحرارة وخصائص مادة سلك التوصيل، قد تبدأ عملية إعادة التبلور (علم المعادن) أو التشكيل الساخن للسلك المُشوَّه أثناء تكوينه لمساحة التلامس المطلوبة. تحدث إعادة التبلور في منطقة تصلب الإجهاد لسلك الرصاص حيث تساعد في تأثير التليين؛ إذا تم تشويه السلك بالموجات فوق الصوتية في درجة حرارة الغرفة ، فإنه سيواجه تصلبًا كبيرًا للإجهاد ( التشكيل على البارد ) وبالتالي يميل إلى نقل الإجهادات الميكانيكية الضارة إلى شريحة السيليكون.

في الوقت الحالي، تُجرى معظم التوصيلات برقاقة الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون باستخدام اللحام الحراري الصوتي ^{[ 7 ]،} نظرًا لانخفاض درجات حرارة اللحام وقوته وفترات تثبيته مقارنةً باللحام بالضغط الحراري ، فضلًا عن انخفاض مستويات طاقة الاهتزاز وقوته مقارنةً باللحام بالموجات فوق الصوتية لتشكيل منطقة التوصيل المطلوبة. وبالتالي، يمنع استخدام اللحام الحراري الصوتي تلف رقاقة الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون، والتي تُعتبر حساسة نسبيًا ، أثناء عملية التوصيل. وقد جعلت الموثوقية المُثبتة للحام الحراري الصوتي منه الخيار الأمثل، إذ قد تكون أنماط الفشل المحتملة مكلفة، سواءً حدثت أثناء مرحلة التصنيع أو تم اكتشافها لاحقًا، أثناء عطل تشغيلي في رقاقة تم توصيلها داخل جهاز كمبيوتر أو العديد من الأجهزة الإلكترونية الدقيقة الأخرى.

تُستخدم عملية الربط الحراري الصوتي أيضًا في عملية رقاقة القلب المقلوبة، وهي طريقة بديلة لتوصيل الدوائر المتكاملة المصنوعة من السيليكون كهربائيًا.

تستخدم أجهزة تأثير جوزيفسون والتداخل فائق التوصيل (DC SQUID ) عملية الربط الحراري الصوتي أيضًا. في هذه الحالة، قد تؤدي طرق الربط الأخرى إلى تدهور أو حتى تدمير البنى المجهرية لـ YBaCuO7 _، مثل الجسور المجهرية، ووصلات جوزيفسون، وأجهزة التداخل فائق التوصيل ^{[ 8 ]} (DC SQUID ).

وقد أظهرت الدراسات تحسناً في أداء الجهاز عند توصيل الثنائيات الباعثة للضوء كهربائياً باستخدام تقنيات الربط الحراري الصوتي. ^{[ 9 ]}

• تصنيع أجهزة أشباه الموصلات
• الترانزستور
• مصابيح LED