快速冷熱循環儀的研制

胡慧 金清 王慧 董陽 吳偉鴻 虞棟偉 陶旭東 洪慶 鹿業波

（嘉興學院機電工程學院，浙江 嘉興 314001）

0 前言

半導體技術和微電子技術是電子信息產業的核心技術，然而相對于國外微電子技術的發展[1]，國內半導體器件產品制造的固有質量和應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境下故障率較高[2]。集成電路的穩定及可靠性是指在規定條件下，電路完成指定任務的能力，通常稱其為使用壽命。當集成電路的工作條件或者工作環境超出其額定值時，器件將無法正常工作，進而影響到整個系統的工作穩定性。通常工作溫度被認為是影響集成電路壽命的重要因素，該領域已有較多的研究報道。另一方面，當集成電路在頻繁開/關過程中，電路中焦耳熱會引起的溫度循環變化，這對集成電路壽命也會產生不可忽視的影響[3]。D.Gerth等人[4]對集成電路中的鋁膜進行了研究，發現了鋁膜上小丘的生長，并分析了相應機理，取得了有益的進展。歐陽斯可等人[5]采用微波等離子體加熱方法對金屬薄膜進行熱處理，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變化對薄膜材料影響的研究。日本的Shien Ri和Masumi Saka[6]制作了能夠實現溫度快速變化的裝置，但設計復雜、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，不能實現快速冷熱循環。因此，針對半導體材料發展研究的需要，本文設計了一種能夠實現快速冷熱循環的試驗裝置。

1 總體結構設計

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構之上。通過伺服電機的驅動，使快速移動臺帶動加熱片實現上下往復運動，進而使金屬薄膜材料的環境溫度發生快速冷熱循環的變化，從而達到試驗目的?？焖倮錈嵫h試驗裝置如圖1所示，由快速移動臺、伸出臂、試驗臺、溫度控制器、水泵等幾部分組成。該裝置通過操作軟件的控制實現快速移動臺的上下移動速度、循環次數、停留時間等；溫度控制器實時檢測控制加熱片溫度；通過水泵、熱排等組成的冷卻系統保證承載試驗臺表面溫度在非加熱狀態時始終維持在室溫；溫度控制器實時顯示試驗臺溫度以保證冷卻系統的可靠性。

2 加熱系統的設計

加熱系統是該裝置設計的重要部分，其組成包括伸出臂、溫度控制器、陶瓷加熱片、快速移動臺等（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，通過控制器的控制作用使陶瓷加熱片穩定于某一設定溫度，當伸出臂上的加熱片靠近試驗臺上的金屬薄膜材料時，金屬薄膜材料受熱溫度升高。

加熱系統中，伸出臂要承受力的載荷，同時受高溫的影響，通過校核計算設計采用304不銹鋼作為伸出臂材料，以保證伸出臂的平穩性。伸出臂的規格為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線采用正方體鐵塊固定；陶瓷加熱片作為加熱系統中的直接加熱體，屬脆性材料，規格為48×26×2mm，額定電壓和功率分別為220V、242W，以保證試驗中規格較小的加熱體能達到200～300℃的高溫，為考慮安全性，加熱片用小片長方形鋼條壓蓋，通過螺栓連接固定于伸出臂銑出的槽內；在鋼條與加熱片之間加入了彈簧機構，以固定傳感器探頭，同時避免加熱片在加熱過程中因鋼板的壓迫而爆裂；溫度控制器通過控制BT穩壓裝置來實現溫度的可靠控制；快速移動臺利用滾珠絲杠傳動來實現，將伺服電機的圓周運動轉變為滑臺的直線運動，其軟件系統是MPC08系統，移動臺最大行程為600mm，最大速率可達50mm/s。

3 冷卻系統的設計

冷卻系統的組成包括試驗臺、溫度控制器、水泵、冷卻液等部分，工作原理為：當位移機構開始上升時，陶瓷加熱片隨之遠離試驗臺，試驗臺上的試樣迅速冷卻，為加快試樣冷卻速度，保證儀器的冷卻效果，設計的試驗臺增設冷卻循環系統。該系統通過水管連接各個冷卻裝置，使冷卻液在其中快速流動從而達到較好的冷卻效果。

系統中,試驗臺應具有良好的導熱性，以保證試樣在冷卻狀態下可以盡量與室溫一致，同時避免試樣溫度的累積。本裝置設計采用導熱性較好的銅作為試驗臺材料，并將試驗臺上的冷卻液進出口設計為寶塔型，使之能緊密的與水管相接，避免冷卻液的滲漏，利用工字鋼和長方形鋼條固定試驗臺于導柱上；循環泵規格為1206型12伏45瓦直流微型水泵；溫度控制器作用僅顯示試驗臺表面的溫度。

4 儀器測試分析

集成電路承受的溫度一般為80℃左右，超過該極限溫度就易導致電子產品出現故障?？焖倮錈嵫h裝置可在一定范圍內任意設置加熱溫度，通過控制伸出臂的位置，可實現試驗臺上金屬薄膜材料溫度變化，以達到不同試驗的要求。

裝置搭建完成后，本文對加熱效果進行了檢測分析，利用移動臺驅動伺服電機使加熱片靠近/遠離試驗臺表面，并借助傳感器及溫度控制器，初步檢測記錄了試驗臺表面的加熱溫度的相關數據，如圖3所示。加熱片與試驗臺最短距離控制在10mm左右，此時，陶瓷加熱片溫度為250℃，試驗臺表面溫度113℃（能量損失主要在于空氣流通），隨著加熱片與試驗臺距離的增大，試驗臺表面溫度迅速降低，當間距達到100mm時，其表面溫度進入穩定狀態，此時可認為試驗臺降至室溫。綜合考慮行程運行速度、安全等因素，設置試驗中最大行程為120mm。

通過此裝置對鋁膜進行了初步的冷熱循環試驗，試驗結果表明快速冷熱循環會使鋁膜表面出現大量的小丘。在之前的研究中[7]，經過恒溫加熱的試樣表面出現小丘較少，因此，在加熱時間和加熱溫度相同的條件下，快速冷熱對試樣的破壞性更大。

目前溫度快速變化對半導體材料影響研究的相關報道較少，主要原因在于測試儀器的缺乏，本儀器的設計及制作為相關研究提供了可行性，將促進對半導體電路材料失效機理的研究。

5 結語

本文設計制作了一種快速冷熱循環儀，進行了應用試驗，并取得預期成果。實驗過程中，該系統加熱穩定，溫度變化迅速，能夠有效地控制試驗循環次數。該試驗儀器不僅可應用于Al薄膜的測試研究，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，通過研究溫度變化對薄膜材料的影響，可改善其在半導體電路中的應用，推進半導體電子行業的發展。

［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.我國半導體工業發展前景分析[J].半導體技術,1995,95(5):1-8.

［3］詹郁生,鄭學仁.集成電路金屬互連焦耳熱效應的測試與修正[J].華南理工大學學報:自然科學版,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］歐陽斯可,汪濤,戴永兵,等.微波等離子加熱實現金屬薄膜固相反應[J].新技術新工藝,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,鹿業波,胡慧,等.快速冷熱循環對鋁薄膜結構的影響[J].嘉興學院學報,2014,26(3):106-109.