紅外熱像儀揭示微電子設(shè)備的熱特性

在開(kāi)發(fā)電子設(shè)備和微電子設(shè)備的過(guò)程中，瞬態(tài)熱信息對(duì)確認(rèn)設(shè)備或設(shè)備特定部分是否正常運(yùn)行至關(guān)重要。此外，下一代微電子設(shè)備的性能將取決于對(duì)用于微電子器件的各種材料的熱物理特性的更好理解。在阿林頓的得克薩斯大學(xué)，以微型熱物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室主任Ankur Jain博士為首的團(tuán)隊(duì)研究與微尺度熱傳導(dǎo)有關(guān)的各種話題。該實(shí)驗(yàn)室采用各種現(xiàn)代設(shè)備和儀器，包括FLIR紅外熱像儀。

在過(guò)去幾十年中，微型化是微電子行業(yè)的重點(diǎn)發(fā)展方向。更小型的設(shè)備運(yùn)行速度更快且具有更緊湊的系統(tǒng)。納米技術(shù)和薄膜處理領(lǐng)域的進(jìn)步已延伸到各種技術(shù)領(lǐng)域，包括光伏電池、溫差電材料和微機(jī)電系統(tǒng)（MEMS）。這些材料和設(shè)備的熱屬性對(duì)于這類(lèi)工程系統(tǒng)的持續(xù)發(fā)展至關(guān)重要。但是，這些系統(tǒng)存在與熱傳導(dǎo)有關(guān)的各種問(wèn)題。為了更有效地解決這些問(wèn)題，全面了解微型材料的熱傳導(dǎo)性質(zhì)至關(guān)重要。

三維集成電路中的散熱

Ankur Jain博士負(fù)責(zé)微型熱物理實(shí)驗(yàn)室，在實(shí)驗(yàn)室里他和他的學(xué)生進(jìn)行關(guān)于微尺度熱傳導(dǎo)、能量轉(zhuǎn)換系統(tǒng)、半導(dǎo)體熱管理、生物傳熱等相關(guān)話題的研究。三維集成電路（IC）中的熱耗散是一大技術(shù)挑戰(zhàn)，阻礙了該項(xiàng)技術(shù)的普及，盡管在過(guò)去一二十年中進(jìn)行了大量相關(guān)研究。因此，微型熱物理學(xué)實(shí)驗(yàn)室的研究人員開(kāi)展實(shí)驗(yàn)以測(cè)量三維集成電路的關(guān)鍵熱特性，開(kāi)發(fā)分析模型以了解三維集成電路中的熱傳導(dǎo)。

測(cè)量溫度場(chǎng)

自誕生之初，薄膜材料一直是微電子元件的基本特性，在芯片上起到各種各樣的作用。為了準(zhǔn)確理解薄膜的熱性能，我們需要將熱屬性與不斷演化的與鍍膜工藝有關(guān)的微觀結(jié)構(gòu)和形態(tài)相關(guān)聯(lián)。通過(guò)這種方式，應(yīng)該能夠研究導(dǎo)電率、體積模量、厚度和界面熱阻等屬性。

在一次典型測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，基質(zhì)上的微加熱器管連接至電源。裝置通過(guò)焦耳加熱升溫。因此，基質(zhì)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間而變化。

Ankur Jain博士稱(chēng)：“我們對(duì)微型器件上溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化尤其感興趣，通過(guò)測(cè)量基質(zhì)的熱屬性，我們盡力了解微尺度熱傳導(dǎo)的基本性質(zhì)。”在電子元件中，熱通常是主設(shè)備運(yùn)行的不良副作用。因此，充分了解薄膜的瞬態(tài)熱現(xiàn)象十分重要。“通過(guò)了解熱如何在微系統(tǒng)中流動(dòng)，我們能夠有效地將過(guò)熱問(wèn)題小化。這有助于我們?cè)O(shè)計(jì)出更的微系統(tǒng)，并在材料選擇方面作出更明智的決策。例如，我們已進(jìn)行一項(xiàng)研究，旨在比較各種類(lèi)型薄膜的熱傳導(dǎo)屬性。”

“在一次典型測(cè)試實(shí)驗(yàn)中，我們將基質(zhì)上的微加熱器管連接至電源。我們提供極少量電流，通過(guò)焦耳加熱使裝置升溫。因此，基質(zhì)的溫度場(chǎng)隨時(shí)間而變化。”

Ankur Jain表示。“通過(guò)測(cè)量基質(zhì)的熱屬性，我們盡力了解微尺度熱傳導(dǎo)的基本性質(zhì)。”

紅外熱像儀

為了測(cè)量微電子設(shè)備的溫度，Ankur Jain博士的團(tuán)隊(duì)使用過(guò)各種技術(shù)，包括熱電偶。這項(xiàng)技術(shù)存在的主要問(wèn)題是熱電偶僅能測(cè)量單點(diǎn)溫度值。為了獲得溫度場(chǎng)的更全面直觀的圖像，Jain博士決定使用FLIR紅外熱像儀。FLIR A6703sc紅外熱像儀專(zhuān)為電子元件檢測(cè)、醫(yī)療熱成像、生產(chǎn)監(jiān)控、非破壞性測(cè)試等應(yīng)用而設(shè)計(jì)，適用于高速熱事件和快速移動(dòng)目標(biāo)。短曝光時(shí)間使用戶(hù)能夠定格運(yùn)動(dòng)，獲得的溫度測(cè)量值。熱像儀的圖像輸出可以通過(guò)調(diào)節(jié)窗口，將幀頻提高至480幀/秒，并描述高速熱事件的特征，從而確保在測(cè)試過(guò)程中不會(huì)遺漏關(guān)鍵數(shù)據(jù)。

Ankur Jain表示：“感興趣設(shè)備中的熱現(xiàn)象轉(zhuǎn)瞬即逝，我們需要整個(gè)溫度場(chǎng)的信息，而不是單點(diǎn)測(cè)量值，F(xiàn)LIR A6703sc在實(shí)驗(yàn)期間大有助益，為我們呈現(xiàn)受測(cè)設(shè)備的極為細(xì)膩的細(xì)節(jié)。”

用于科研研發(fā)應(yīng)用的熱分析軟件

此外，Ankur Jain博士的團(tuán)隊(duì)一直將FLIR ResearchIR分析軟件用于科研研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域。ResearchIR是一款強(qiáng)大且簡(jiǎn)單易用的熱分析軟件，可實(shí)現(xiàn)熱像儀系統(tǒng)的命令和控制、高速數(shù)據(jù)記錄、實(shí)時(shí)或回放分析以及報(bào)告等。Ankur Jain道：“經(jīng)證實(shí)，F(xiàn)LIR的ResearchIR軟件非常實(shí)用，尤其是，它能夠保存我們的熱記錄然后在數(shù)臺(tái)電腦之間共享以供進(jìn)一步分析。ResearchIR極大地增進(jìn)了我們團(tuán)隊(duì)內(nèi)以及我們團(tuán)隊(duì)與其他團(tuán)隊(duì)的協(xié)作。”

Ankur Jain：“我們對(duì)微型器件上溫度場(chǎng)隨時(shí)間的變化尤其感興趣，通過(guò)測(cè)量基質(zhì)的熱屬性，我們盡力了解微尺度熱傳導(dǎo)的基本性質(zhì)。”