快速冷熱循環(huán)儀的研制

胡慧 金清 王慧 董陽(yáng) 吳偉鴻 虞棟偉 陶旭東 洪慶 鹿業(yè)波

（嘉興學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院，浙江 嘉興 314001）

0 前言

半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)是電子信息產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)，然而相對(duì)于國(guó)外微電子技術(shù)的發(fā)展[1]，國(guó)內(nèi)半導(dǎo)體器件產(chǎn)品制造的固有質(zhì)量和應(yīng)用可靠性仍有待提高，尤其在溫度、電流密度等條件頻繁變化的環(huán)境下故障率較高[2]。集成電路的穩(wěn)定及可靠性是指在規(guī)定條件下，電路完成指定任務(wù)的能力，通常稱其為使用壽命。當(dāng)集成電路的工作條件或者工作環(huán)境超出其額定值時(shí)，器件將無(wú)法正常工作，進(jìn)而影響到整個(gè)系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性。通常工作溫度被認(rèn)為是影響集成電路壽命的重要因素，該領(lǐng)域已有較多的研究報(bào)道。另一方面，當(dāng)集成電路在頻繁開(kāi)/關(guān)過(guò)程中，電路中焦耳熱會(huì)引起的溫度循環(huán)變化，這對(duì)集成電路壽命也會(huì)產(chǎn)生不可忽視的影響[3]。D.Gerth等人[4]對(duì)集成電路中的鋁膜進(jìn)行了研究，發(fā)現(xiàn)了鋁膜上小丘的生長(zhǎng)，并分析了相應(yīng)機(jī)理，取得了有益的進(jìn)展。歐陽(yáng)斯可等人[5]采用微波等離子體加熱方法對(duì)金屬薄膜進(jìn)行熱處理，但此類研究都是僅以恒溫加熱作為研究方法，忽視了快速冷熱循環(huán)變化對(duì)薄膜材料影響的研究。日本的Shien Ri和Masumi Saka[6]制作了能夠?qū)崿F(xiàn)溫度快速變化的裝置，但設(shè)計(jì)復(fù)雜、制作成本較高，且操作難度較大。目前通用的高溫加熱爐加熱速率低，不能實(shí)現(xiàn)快速冷熱循環(huán)。因此，針對(duì)半導(dǎo)體材料發(fā)展研究的需要，本文設(shè)計(jì)了一種能夠?qū)崿F(xiàn)快速冷熱循環(huán)的試驗(yàn)裝置。

1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

利用陶瓷加熱片作為加熱源，將陶瓷加熱片安裝固定于快速升降位移機(jī)構(gòu)之上。通過(guò)伺服電機(jī)的驅(qū)動(dòng)，使快速移動(dòng)臺(tái)帶動(dòng)加熱片實(shí)現(xiàn)上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而使金屬薄膜材料的環(huán)境溫度發(fā)生快速冷熱循環(huán)的變化，從而達(dá)到試驗(yàn)?zāi)康?。快速冷熱循環(huán)試驗(yàn)裝置如圖1所示，由快速移動(dòng)臺(tái)、伸出臂、試驗(yàn)臺(tái)、溫度控制器、水泵等幾部分組成。該裝置通過(guò)操作軟件的控制實(shí)現(xiàn)快速移動(dòng)臺(tái)的上下移動(dòng)速度、循環(huán)次數(shù)、停留時(shí)間等；溫度控制器實(shí)時(shí)檢測(cè)控制加熱片溫度；通過(guò)水泵、熱排等組成的冷卻系統(tǒng)保證承載試驗(yàn)臺(tái)表面溫度在非加熱狀態(tài)時(shí)始終維持在室溫；溫度控制器實(shí)時(shí)顯示試驗(yàn)臺(tái)溫度以保證冷卻系統(tǒng)的可靠性。

2 加熱系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

加熱系統(tǒng)是該裝置設(shè)計(jì)的重要部分，其組成包括伸出臂、溫度控制器、陶瓷加熱片、快速移動(dòng)臺(tái)等（如圖1所示），電路接線示意圖如圖2所示，工作原理為：溫度控制器與陶瓷加熱片相連接，通過(guò)控制器的控制作用使陶瓷加熱片穩(wěn)定于某一設(shè)定溫度，當(dāng)伸出臂上的加熱片靠近試驗(yàn)臺(tái)上的金屬薄膜材料時(shí)，金屬薄膜材料受熱溫度升高。

加熱系統(tǒng)中，伸出臂要承受力的載荷，同時(shí)受高溫的影響，通過(guò)校核計(jì)算設(shè)計(jì)采用304不銹鋼作為伸出臂材料，以保證伸出臂的平穩(wěn)性。伸出臂的規(guī)格為178×50×3.5mm，上面加工出槽用于放置陶瓷加熱片，溫度控制器的傳感器導(dǎo)線采用正方體鐵塊固定；陶瓷加熱片作為加熱系統(tǒng)中的直接加熱體，屬脆性材料，規(guī)格為48×26×2mm，額定電壓和功率分別為220V、242W，以保證試驗(yàn)中規(guī)格較小的加熱體能達(dá)到200～300℃的高溫，為考慮安全性，加熱片用小片長(zhǎng)方形鋼條壓蓋，通過(guò)螺栓連接固定于伸出臂銑出的槽內(nèi)；在鋼條與加熱片之間加入了彈簧機(jī)構(gòu)，以固定傳感器探頭，同時(shí)避免加熱片在加熱過(guò)程中因鋼板的壓迫而爆裂；溫度控制器通過(guò)控制BT穩(wěn)壓裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)溫度的可靠控制；快速移動(dòng)臺(tái)利用滾珠絲杠傳動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，將伺服電機(jī)的圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)變?yōu)榛_(tái)的直線運(yùn)動(dòng)，其軟件系統(tǒng)是MPC08系統(tǒng)，移動(dòng)臺(tái)最大行程為600mm，最大速率可達(dá)50mm/s。

3 冷卻系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

冷卻系統(tǒng)的組成包括試驗(yàn)臺(tái)、溫度控制器、水泵、冷卻液等部分，工作原理為：當(dāng)位移機(jī)構(gòu)開(kāi)始上升時(shí)，陶瓷加熱片隨之遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺(tái)，試驗(yàn)臺(tái)上的試樣迅速冷卻，為加快試樣冷卻速度，保證儀器的冷卻效果，設(shè)計(jì)的試驗(yàn)臺(tái)增設(shè)冷卻循環(huán)系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)水管連接各個(gè)冷卻裝置，使冷卻液在其中快速流動(dòng)從而達(dá)到較好的冷卻效果。

系統(tǒng)中,試驗(yàn)臺(tái)應(yīng)具有良好的導(dǎo)熱性，以保證試樣在冷卻狀態(tài)下可以盡量與室溫一致，同時(shí)避免試樣溫度的累積。本裝置設(shè)計(jì)采用導(dǎo)熱性較好的銅作為試驗(yàn)臺(tái)材料，并將試驗(yàn)臺(tái)上的冷卻液進(jìn)出口設(shè)計(jì)為寶塔型，使之能緊密的與水管相接，避免冷卻液的滲漏，利用工字鋼和長(zhǎng)方形鋼條固定試驗(yàn)臺(tái)于導(dǎo)柱上；循環(huán)泵規(guī)格為1206型12伏45瓦直流微型水泵；溫度控制器作用僅顯示試驗(yàn)臺(tái)表面的溫度。

4 儀器測(cè)試分析

集成電路承受的溫度一般為80℃左右，超過(guò)該極限溫度就易導(dǎo)致電子產(chǎn)品出現(xiàn)故障?？焖倮錈嵫h(huán)裝置可在一定范圍內(nèi)任意設(shè)置加熱溫度，通過(guò)控制伸出臂的位置，可實(shí)現(xiàn)試驗(yàn)臺(tái)上金屬薄膜材料溫度變化，以達(dá)到不同試驗(yàn)的要求。

裝置搭建完成后，本文對(duì)加熱效果進(jìn)行了檢測(cè)分析，利用移動(dòng)臺(tái)驅(qū)動(dòng)伺服電機(jī)使加熱片靠近/遠(yuǎn)離試驗(yàn)臺(tái)表面，并借助傳感器及溫度控制器，初步檢測(cè)記錄了試驗(yàn)臺(tái)表面的加熱溫度的相關(guān)數(shù)據(jù)，如圖3所示。加熱片與試驗(yàn)臺(tái)最短距離控制在10mm左右，此時(shí)，陶瓷加熱片溫度為250℃，試驗(yàn)臺(tái)表面溫度113℃（能量損失主要在于空氣流通），隨著加熱片與試驗(yàn)臺(tái)距離的增大，試驗(yàn)臺(tái)表面溫度迅速降低，當(dāng)間距達(dá)到100mm時(shí)，其表面溫度進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)，此時(shí)可認(rèn)為試驗(yàn)臺(tái)降至室溫。綜合考慮行程運(yùn)行速度、安全等因素，設(shè)置試驗(yàn)中最大行程為120mm。

通過(guò)此裝置對(duì)鋁膜進(jìn)行了初步的冷熱循環(huán)試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明快速冷熱循環(huán)會(huì)使鋁膜表面出現(xiàn)大量的小丘。在之前的研究中[7]，經(jīng)過(guò)恒溫加熱的試樣表面出現(xiàn)小丘較少，因此，在加熱時(shí)間和加熱溫度相同的條件下，快速冷熱對(duì)試樣的破壞性更大。

目前溫度快速變化對(duì)半導(dǎo)體材料影響研究的相關(guān)報(bào)道較少，主要原因在于測(cè)試儀器的缺乏，本儀器的設(shè)計(jì)及制作為相關(guān)研究提供了可行性，將促進(jìn)對(duì)半導(dǎo)體電路材料失效機(jī)理的研究。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)制作了一種快速冷熱循環(huán)儀，進(jìn)行了應(yīng)用試驗(yàn)，并取得預(yù)期成果。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，該系統(tǒng)加熱穩(wěn)定，溫度變化迅速，能夠有效地控制試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)。該試驗(yàn)儀器不僅可應(yīng)用于Al薄膜的測(cè)試研究，還可用于研究性能要求較高的其它金屬薄膜材料，如Ag、Cu等材料，通過(guò)研究溫度變化對(duì)薄膜材料的影響，可改善其在半導(dǎo)體電路中的應(yīng)用，推進(jìn)半導(dǎo)體電子行業(yè)的發(fā)展。

［1］V.Yu.Kireev,A.S.Rapid Thermal Processing:A New Step Forward in Microelectronics Technologies[J].Russian Microelectronics,2001,30(4):225-235.

［2］許居衍.我國(guó)半導(dǎo)體工業(yè)發(fā)展前景分析[J].半導(dǎo)體技術(shù),1995,95(5):1-8.

［3］詹郁生,鄭學(xué)仁.集成電路金屬互連焦耳熱效應(yīng)的測(cè)試與修正[J].華南理工大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2004,32(5):34-37.

［4］D.Gerth,D.Katzer,M.Krohn D.Study of the thermal behaviour of thin aluminium alloy films[J].Thin Solid Films,1992,208(1):67-75.

［5］歐陽(yáng)斯可,汪濤,戴永兵,等.微波等離子加熱實(shí)現(xiàn)金屬薄膜固相反應(yīng)[J].新技術(shù)新工藝,2004(6):36-38.

［6］S.Ri,M.Saka.Diffusion–fatigue interaction effect on hillock formation in aluminum thin films under thermal cycle testing[J].Materials Letters,2012,79(15):139-141.

［7］夏志鵬,鹿業(yè)波,胡慧,等.快速冷熱循環(huán)對(duì)鋁薄膜結(jié)構(gòu)的影響[J].嘉興學(xué)院學(xué)報(bào),2014,26(3):106-109.