快速冷热循环仪的研制

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【摘 要】本文设计了一种快速冷热循环仪，可以实现对金属薄膜材料快速变温的控制，用于研究温度变化对薄膜的影响以改善集成电路的可靠性。该仪器包括升降位移机构、运动控制系统和水冷系统及加热系统等。通过计算机控制伺服电机以驱动移动装置快速上升和下降，从而使加热系统靠近及远离金属薄膜材料，使其迅速变温达到设定温度，通过冷却循环系统达到辅助降温的目的。该方法实现了对温度、时间、循环次数的控制，既可以迅速升温，快速给金属材料加热，又通过冷却液的循环加快降温速率。

【关键词】金属薄膜;快速冷热;冷热循环仪;温度控制

Design and Fabrication of Rapid Cool-thermal Cycle System

HU Hui JIN Qing WANG Hui DONG Yang WU Wei-hong YU Dong-wei TAO Xu-dong HONG Qing LU Ye-bo

（College of Mechanical and Electrical Engineering， Jiaxing University， Jiaxing Zhejiang 314001， China）

【Abstract】A new type of instrument about rapid heating and cooling system was designed in this paper. It can achieve the rapid change of the thin metallic film temperature， and it can be used to improve the reliability of integrated circuits. The instrument included lift displacement mechanism， the motion control system， and the cooling and heating system. Through operation of the computer and drive of the servo motor， it can quickly control the rise and fall of the shifting device. In this way， the heating system was going to be closed to/away from the thin metallic film. Then these materials will quickly reach to the pre-determined temperature with cooling system. The temperature， time， and cycle process can be controlled to decrease/increase metallic film temperature quickly.

【Key words】Metallic film; Heating and cooling quickly; Thermal cycling apparatus; Temperature controlling

0 前言

半导体技术和微电子技术是电子信息产业的核心技术，然而相对于国外微电子技术的发展[1]，国内半导体器件产品制造的固有质量和应用可靠性仍有待提高，尤其在温度、电流密度等条件频繁变化的环境下故障率较高[2]。集成电路的稳定及可靠性是指在规定条件下，电路完成指定任务的能力，通常称其为使用寿命。当集成电路的工作条件或者工作环境超出其额定值时，器件将无法正常工作，进而影响到整个系统的工作稳定性。通常工作温度被认为是影响集成电路寿命的重要因素，该领域已有较多的研究报道。另一方面，当集成电路在频繁开/关过程中，电路中焦耳热会引起的温度循环变化，这对集成电路寿命也会产生不可忽视的影响[3]。D. Gerth等人[4]对集成电路中的铝膜进行了研究，发现了铝膜上小丘的生长，并分析了相应机理，取得了有益的进展。欧阳斯可等人[5]采用微波等离子体加热方法对金属薄膜进行热处理，但此类研究都是仅以恒温加热作为研究方法，忽视了快速冷热循环变化对薄膜材料影响的研究。日本的Shien Ri 和 Masumi Saka[6]制作了能够实现温度快速变化的装置，但设计复杂、制作成本较高，且操作难度较大。目前通用的高温加热炉加热速率低，不能实现快速冷热循环。因此，针对半导体材料发展研究的需要，本文设计了一种能够实现快速冷热循环的试验装置。

1 总体结构设计

利用陶瓷加热片作为加热源，将陶瓷加热片安装固定于快速升降位移机构之上。通过伺服电机的驱动，使快速移动台带动加热片实现上下往复运动，进而使金属薄膜材料的环境温度发生快速冷热循环的变化，从而达到试验目的。快速冷热循环试验装置如图1所示，由快速移动台、伸出臂、试验台、温度控制器、水泵等几部分组成。该装置通过操作软件的控制实现快速移动台的上下移动速度、循环次数、停留时间等;温度控制器实时检测控制加热片温度;通过水泵、热排等组成的冷却系统保证承载试验台表面温度在非加热状态时始终维持在室温;温度控制器实时显示试验台温度以保证冷却系统的可靠性。

2 加热系统的设计

加热系统是该装置设计的重要部分，其组成包括伸出臂、温度控制器、陶瓷加热片、快速移动台等（如图1所示），电路接线示意图如图2所示，工作原理为：温度控制器与陶瓷加热片相连接，通过控制器的控制作用使陶瓷加热片稳定于某一设定温度，当伸出臂上的加热片靠近试验台上的金属薄膜材料时，金属薄膜材料受热温度升高。

图1 快速冷热循环仪实物图

图2 加热系统电路图

加热系统中，伸出臂要承受力的载荷，同时受高温的影响，通过校核计算设计采用304不锈钢作为伸出臂材料，以保证伸出臂的平稳性。伸出臂的规格为178×50×3.5mm，上面加工出槽用于放置陶瓷加热片，温度控制器的传感器导线采用正方体铁块固定;陶瓷加热片作为加热系统中的直接加热体，属脆性材料，规格为48×26×2mm，额定电压和功率分别为220V、242W，以保证试验中规格较小的加热体能达到200～300℃的高温，为考虑安全性，加热片用小片长方形钢条压盖，通过螺栓连接固定于伸出臂铣出的槽内;在钢条与加热片之间加入了弹簧机构，以固定传感器探头，同时避免加热片在加热过程中因钢板的压迫而爆裂;温度控制器通过控制BT稳压装置来实现温度的可靠控制;快速移动台利用滚珠丝杠传动来实现，将伺服电机的圆周运动转变为滑台的直线运动，其软件系统是MPC08系统，移动台最大行程为600mm，最大速率可达50mm/s。

3 冷却系统的设计

冷却系统的组成包括试验台、温度控制器、水泵、冷却液等部分，工作原理为：当位移机构开始上升时，陶瓷加热片随之远离试验台，试验台上的试样迅速冷却，为加快试样冷却速度，保证仪器的冷却效果，设计的试验台增设冷却循环系统。该系统通过水管连接各个冷却装置，使冷却液在其中快速流动从而达到较好的冷却效果。

系统中，试验台应具有良好的导热性，以保证试样在冷却状态下可以尽量与室温一致，同时避免试样温度的累积。本装置设计采用导热性较好的铜作为试验台材料，并将试验台上的冷却液进出口设计为宝塔型，使之能紧密的与水管相接，避免冷却液的渗漏，利用工字钢和长方形钢条固定试验台于导柱上;循环泵规格为1206型12伏45瓦直流微型水泵;温度控制器作用仅显示试验台表面的温度。

4 仪器测试分析

集成电路承受的温度一般为80℃左右，超过该极限温度就易导致电子产品出现故障。快速冷热循环装置可在一定范围内任意设置加热温度，通过控制伸出臂的位置，可实现试验台上金属薄膜材料温度变化，以达到不同试验的要求。

装置搭建完成后，本文对加热效果进行了检测分析，利用移动台驱动伺服电机使加热片靠近/远离试验台表面，并借助传感器及温度控制器，初步检测记录了试验台表面的加热温度的相关数据，如图3所示。加热片与试验台最短距离控制在10mm左右，此时，陶瓷加热片温度为250℃，试验台表面温度113℃（能量损失主要在于空气流通），随着加热片与试验台距离的增大，试验台表面温度迅速降低，当间距达到100mm时，其表面温度进入稳定状态，此时可认为试验台降至室温。综合考虑行程运行速度、安全等因素，设置试验中最大行程为120mm。

通过此装置对铝膜进行了初步的冷热循环试验，试验结果表明快速冷热循环会使铝膜表面出现大量的小丘。在之前的研究中[7]，经过恒温加热的试样表面出现小丘较少，因此，在加热时间和加热温度相同的条件下，快速冷热对试样的破坏性更大。

图3 加热片和试验台距离与试验台温度关系图

目前温度快速变化对半导体材料影响研究的相关报道较少，主要原因在于测试仪器的缺乏，本仪器的设计及制作为相关研究提供了可行性，将促进对半导体电路材料失效机理的研究。

5 结语

本文设计制作了一种快速冷热循环仪，进行了应用试验，并取得预期成果。实验过程中，该系统加热稳定，温度变化迅速，能够有效地控制试验循环次数。该试验仪器不仅可应用于Al薄膜的测试研究，还可用于研究性能要求较高的其它金属薄膜材料，如Ag、Cu等材料，通过研究温度变化对薄膜材料的影响，可改善其在半导体电路中的应用，推进半导体电子行业的发展。

【参考文献】

[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]许居衍.我国半导体工业发展前景分析[J].半导体技术，1995，95（5）：1-8.

[3]詹郁生，郑学仁.集成电路金属互连焦耳热效应的测试与修正[J].华南理工大学学报：自然科学版，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]欧阳斯可，汪涛，戴永兵，等.微波等离子加热实现金属薄膜固相反应[J].新技术新工艺，2004（6）：36-38.

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

[7]夏志鹏，鹿业波，胡慧，等.快速冷热循环对铝薄膜结构的影响[J].嘉兴学院学报，2014，26（3）：106-109.

基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（201310354009）;浙江省钱江人才资助项目（QJD1302007）。

作者简介：胡慧（1994.02―），女，汉族，安徽安庆人，嘉兴学院学生，专业为材料成型及控制工程。

通讯作者：鹿业波（1983―），男，山东莱芜人，工学博士，嘉兴学院机电工程学院，讲师，研究方向为金属微纳米材料的制备与评估。