Le termocamere FLIR rivelano le caratteristiche termiche dei dispositivi microelettronici

Nello sviluppo di dispositivi elettronici e microelettronici, le informazioni sui transienti termici sono fondamentali per verificare se un dispositivo o una sua parte specifica funzionano correttamente. Inoltre, le prestazioni dei dispositivi microelettronici di nuova generazione dipenderanno da una migliore comprensione delle proprietà termofisiche dei vari materiali utilizzati in microelettronica. Presso l'Università del Texas di Arlington, il team del dott. Ankur Jain, che dirige il Laboratorio di Termofisica su microscala, studia un'ampia gamma di argomenti relativi al trasporto termico. Il laboratorio si avvale di svariate attrezzature e strumentazioni moderne, incluse le termocamere di FLIR Systems.  

La miniaturizzazione ha rappresentato uno sviluppo chiave per il settore microelettronico negli ultimi decenni. I dispositivi di dimensioni più ridotte possono offrire velocità operative superiori e sistemi maggiormente compatti. I progressi nella  nanotecnologia e nella lavorazione a film sottile si sono estesi a un ampio spettro di aree tecnologiche, tra cui le celle fotovoltaiche, i materiali termoelettrici e i microsistemi elettromeccanici (MEMS). Le proprietà termiche di questi materiali e dispositivi sono di importanza critica per il continuo sviluppo di tali sistemi di ingegneria. Tuttavia, in questi apparati sussistono alcuni problemi relativi al trasporto termico. Per affrontare efficacemente questi problemi, è essenziale comprendere appieno  la natura del trasporto termico nei materiali su microscala.

Dissipazione del calore in circuiti integrati 3D

Il dott. Ankur Jain dirige il Laboratorio di Termofisica su microscala, dove lui e i suoi studenti conducono ricerche studiando il trasporto termico su scala microscopica, i sistemi di conversione dell'energia, la gestione termica dei semiconduttori, il trasferimento biotermico e altri argomenti correlati. La dissipazione del calore nei circuiti integrati (IC) tridimensionali rappresenta una sfida tecnologica significativa e ha impedito l'adozione su vasta scala di questa tecnologia,  nonostante la straordinaria attività di ricerca degli ultimi due decenni. I ricercatori del Laboratorio di Termofisica su microscala stanno quindi svolgendo esperimenti per misurare le caratteristiche termiche fondamentali dei circuiti integrati 3D e stanno sviluppando modelli analitici per comprenderne il trasporto termico.

Misurazione del campo di temperatura

I materiali a film sottile sono stati una caratteristica essenziale della microelettronica sin dal suo inizio, al servizio di numerose funzioni del chip. Per comprendere con precisione il comportamento termico dei film sottili, dobbiamo essere in grado di correlare le proprietà termiche con le evoluzioni della microstruttura e della morfologia correlate al processo di deposizione. In questo modo, dovrebbe essere possibile esaminare proprietà quali conduttività, modulo di compressività, spessore e resistenze termica di interfaccia.

In un tipico esperimento, le linee di un micro-riscaldatore su un substrato vengono collegate a una fonte di alimentazione. Il dispositivo viene riscaldato mediante riscaldamento Joule. Di conseguenza, il campo di temperatura del substrato si evolve in funzione del tempo.

 "Siamo particolarmente interessati all'evoluzione nel tempo di un campo di temperatura su un micro-dispositivo", afferma il dott. Ankur Jain. "Misurando le proprietà termiche del substrato, cerchiamo di capire la natura fondamentale  del trasferimento di calore su scala microscopica". In elettronica, il calore è spesso un effetto collaterale indesiderato della funzione primaria del dispositivo. Pertanto, è importante comprendere appieno i fenomeni termici transitori nei film sottili. "Scoprendo in che modo il calore fluisce in un microsistema, possiamo efficacemente ridurre al minimo i problemi di surriscaldamento. Questo ci aiuta a progettare microsistemi migliori e a operare scelte più intelligenti a livello di materiali. Ad esempio, abbiamo svolto uno studio per confrontare le proprietà di trasporto termico di vari tipi di film sottile".

"In un tipico esperimento, colleghiamo le linee di un micro-riscaldatore su un substrato a una fonte di alimentazione. Applicando una quantità esigua di corrente, riscaldiamo il dispositivo mediante riscaldamento Joule. Di conseguenza, il campo di temperatura del substrato si evolve in funzione del tempo".

Ankur Jain. "Misurando le proprietà termiche del substrato di un micro-dispositivo, cerchiamo di comprendere la natura fondamentale del trasferimento di calore su scala microscopica".

Termocamere

Per misurare la temperatura su dispositivi microelettronici, il team del dott. Ankur Jain ha utilizzato un'ampia gamma di tecniche, incluse le termocoppie. Una delle sfide principali di questa tecnica è che le termocoppie misurano solo i valori di temperatura in un singolo punto. Per un'immagine visiva e più completa del campo di temperatura, il Dr. Jain ha deciso di utilizzare le termocamere FLIR. La termocamera FLIR A6703sc è stata progettata per ispezioni elettroniche, termografia medica, monitoraggio della produzione e test non distruttivi. La termocamera è ideale per riprendere eventi termici ad alta velocità e soggetti in rapido movimento. Tempi di esposizione brevi consentono agli utenti di fermare il movimento e ottenere misurazioni di temperatura accurate. Per caratterizzare accuratamente gli eventi termici con velocità ancora più elevate e non perdere dati essenziali, si può ridurre la finestra di acquisizione della termocamera per aumentare il frame rate a 480 frame al secondo. 

"I fenomeni termici nei dispositivi che ci interessano si verificano molto rapidamente e ci occorrono informazioni a tutto campo, non misurazioni sul singolo punto", spiega il dott. Ankur Jain. "La FLIR A6703sc ci ha aiutato durante i nostri esperimenti, perché la termocamera ci offre dettagli molto particolareggiati del dispositivo da misurare".

Software di analisi termica per applicazioni scientifiche e di ricerca

Il team del dott. Ankur Jain ha inoltre utilizzato il software di analisi ResearchIR di FLIR per applicazioni scientifiche  e di ricerca. ResearchIR è un pacchetto software di analisi termica, che offre notevole potenza e semplicità di utilizzo, per il comando e il controllo di termocamere, la registrazione di dati ad alta velocità, l'analisi in tempo reale o in riproduzione e la reportistica. "Il software ResearchIR di FLIR si è dimostrato molto utile per il nostro team", conferma il dott. Ankur Jain. "In particolare, ci è stata di grande beneficio la possibilità di salvare le registrazioni termiche e condividerle su più PC per ulteriori analisi. ResearchIR ha migliorato notevolmente la collaborazione all'interno del nostro team e con altri gruppi di ricerca".

Ankur Jain: "Siamo particolarmente interessati all'evoluzione nel tempo di un campo di temperatura su un micro-dispositivo. Misurando le proprietà termiche del substrato, cerchiamo di comprendere la natura fondamentale del trasferimento di calore su scala microscopica".

Ankur Jain: "Il software ResearchIR ha migliorato notevolmente la collaborazione all'interno del nostro team con altri gruppi di ricerca".