紅外熱像儀揭示微電子設(shè)備的熱特性

在開發(fā)電子設(shè)備和微電子設(shè)備的過程中，瞬態(tài)熱信息對確認設(shè)備或設(shè)備特定部分是否正常運行至關(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)實驗室主任Ankur Jain博士為首的團隊研究與微尺度熱傳導(dǎo)有關(guān)的各種話題。該實驗室采用各種現(xiàn)代設(shè)備和儀器，包括FLIR紅外熱像儀。

在過去幾十年中，微型化是微電子行業(yè)的重點發(fā)展方向。更小型的設(shè)備運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、溫差電材料和微機電系統(tǒng)（MEMS）。這些材料和設(shè)備的熱屬性對于這類工程系統(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)的各種問題。為了更有效地解決這些問題，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博士負責微型熱物理實驗室，在實驗室里他和他的學(xué)生進行關(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)，阻礙了該項技術(shù)的普及，盡管在過去一二十年中進行了大量相關(guān)研究。因此，微型熱物理學(xué)實驗室的研究人員開展實驗以測量三維集成電路的關(guān)鍵熱特性，開發(fā)分析模型以了解三維集成電路中的熱傳導(dǎo)。

測量溫度場

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。

在一次典型測試實驗中，基質(zhì)上的微加熱器管連接至電源。裝置通過焦耳加熱升溫。因此，基質(zhì)的溫度場隨時間而變化。

Ankur Jain博士稱：“我們對微型器件上溫度場隨時間的變化尤其感興趣，通過測量基質(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。“通過了解熱如何在微系統(tǒng)中流動，我們能夠有效地將過熱問題小化。這有助于我們設(shè)計出更的微系統(tǒng)，并在材料選擇方面作出更明智的決策。例如，我們已進行一項研究，旨在比較各種類型薄膜的熱傳導(dǎo)屬性。”

“在一次典型測試實驗中，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，通過焦耳加熱使裝置升溫。因此，基質(zhì)的溫度場隨時間而變化。”

Ankur Jain表示。“通過測量基質(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

為了測量微電子設(shè)備的溫度，Ankur Jain博士的團隊使用過各種技術(shù)，包括熱電偶。這項技術(shù)存在的主要問題是熱電偶僅能測量單點溫度值。為了獲得溫度場的更全面直觀的圖像，Jain博士決定使用FLIR紅外熱像儀。FLIR A6703sc紅外熱像儀專為電子元件檢測、醫(yī)療熱成像、生產(chǎn)監(jiān)控、非破壞性測試等應(yīng)用而設(shè)計，適用于高速熱事件和快速移動目標。短曝光時間使用戶能夠定格運動，獲得的溫度測量值。熱像儀的圖像輸出可以通過調(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，從而確保在測試過程中不會遺漏關(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，我們需要整個溫度場的信息，而不是單點測量值，F(xiàn)LIR A6703sc在實驗期間大有助益，為我們呈現(xiàn)受測設(shè)備的極為細膩的細節(jié)。”

用于科研研發(fā)應(yīng)用的熱分析軟件

此外，Ankur Jain博士的團隊一直將FLIR ResearchIR分析軟件用于科研研發(fā)應(yīng)用領(lǐng)域。ResearchIR是一款*且簡單易用的熱分析軟件，可實現(xiàn)熱像儀系統(tǒng)的命令和控制、高速數(shù)據(jù)記錄、實時或回放分析以及報告等。Ankur Jain道：“經(jīng)證實，F(xiàn)LIR的ResearchIR軟件非常實用，尤其是，它能夠保存我們的熱記錄然后在數(shù)臺電腦之間共享以供進一步分析。ResearchIR極大地增進了我們團隊內(nèi)以及我們團隊與其他團隊的協(xié)作。”

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