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3-2016

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Fachzeitschrift für Elektronik-Produktion - Fertigungstechnik, Materialien und Qualitätsmanagement

Aus Forschung und

Aus Forschung und Technik So werden die thermischen Eigenschaften von Mikroelektronik-Geräten sichtbar Mikroelektronische Geräte der nächsten Generation werden ihre Leistungsmöglichkeiten nur dann voll ausschöpfen können, wenn die thermophysikalischen Eigenschaften der verwendeten Materialien noch besser erforscht sind Bei der Entwicklung von Elektronik- und Mikroelektronik-Geräten ist die Erfassung von transienten thermischen Daten unerlässlich, um die ordnungsgemäße Funktion eines bestimmten Bauteils oder Geräts überprüfen zu können. Darüber hinaus wird die Leistung von Mikroelektronik-Geräten der nächsten Generation von einem besseren Verständnis der thermophysikalischen Eigenschaften der verschiedenen Materialien abhängen, die in der Mikroelektronik-Industrie zum Einsatz kommen. An der US-amerikanischen University of Texas at Arlington erforscht das Team von Dr. Ankur Jain, der das dortige Mikro-Thermophysiklabor leitet, eine Vielzahl von Themen, die mit dem Wärmetransport auf der Mikroebene im Zusammenhang stehen. Dabei setzt das Labor zahlreiche moderne Geräte und Instrumente ein, zu denen auch Wärmebildkameras von Flir Systems gehören. So wird getestet Bei einem typischen Testexperiment werden auf einem Substrat aufgebrachte Mikro-Heizdrähte mit einer Stromversorgungsquelle verbunden. Dann wird das Gerät mittels Joulescher Wärme (Stromwärme) erwärmt. Dadurch entwickelt sich das Temperaturfeld des Substrats als eine Zeitfunktion. In den letzten Jahrzehnten war die Miniaturisierung ein entscheidender Entwicklungsfaktor für die Mikro elektronik-Industrie. Kleinere Geräte machen höhere Arbeitsgeschwindigkeiten und kompaktere Autoren Joachim Sarfels Flir Systems GmbH, Sales Manager Science Frank Liebelt freier Journalist, Frankfurt Die Flir A6703sc eignet sich optimal u.a. zum Erfassen von Hochgeschwindigkeits-Wärmeereignissen Systeme möglich. Der in der Nanotechnologie und Dünnfilmverarbeitung erzielte Fortschritt wird zunehmend auch in anderen technologischen Bereichen, wie Photovoltaikzellen, thermo elektrischen Materialien und mikro-elektromechanischen Systemen (MEMS), genutzt. Die thermischen Eigenschaften dieser Materialien und Geräte besitzen oftmals eine entscheidende Bedeutung für die kontinuierliche Weiterentwicklung derartiger Techniksysteme. Dennoch bestehen hinsichtlich des Wärmetransports in diesen Systemen immer noch zahlreiche offene Fragen. Und um jede dieser Fragen effizient beantworten zu können, muss man den Wärmetransport in diesen Materialien auf der Mikroebene bis ins Detail verstehen. Wärmeverteilung in 3D-ICs Dr. Ankur Jain leitet das Mikro- Thermophysiklabor, in dem er und seine Studenten Forschungsarbeiten zum Wärmetransport auf der Mikro-Ebene, zu Energiegewinnungs-Systemen, zum Wärmemanagement bei Halbleitern, zur Biowärme-Übertragung und anderen zugehörigen Themen ausführen. Die Wärmeverteilung in dreidimensional integrierten Schaltkreisen (3D- ICs) stellt nach wie vor eine bedeutende technologische Herausforderung dar und hat trotz der enormen Anzahl von wissenschaftlichen Studien, die in den letzten ein bis zwei Jahrzehnten zu diesem Thema ausgeführt wurden, bislang eine umfassende Einführung dieser Technologie verhindert. Deshalb führen die Forscher im Mikro-Thermophysiklabor Experimente durch, mit denen sie die wichtigsten thermischen Eigenschaften von 3D-ICs messen und analytische Modelle entwickeln können, um den gesamten Wärmetransportprozess zu verstehen, der in einem 3D-integrierten Schaltkreis stattfindet. Messung von Temperaturfeldern Dünnschichtmaterialien, wie Dünnfilm, sind seit ihrem Aufkommen ein unverzichtbarer Bestandteil von Mikroelektronik – viele Funktionen, die auf einem Chip ablaufen, wären ohne sie undenkbar. Um das thermische Verhalten von Dünn- Bei einem typischen Testexperiment werden auf einem Substrat aufgebrachte Mikro-Heizdrähte mit einer Stromversorgungsquelle verbunden. Dann wird das Gerät mittels Joulescher Wärme (Stromwärme) erwärmt. Dadurch entwickelt sich das Temperaturfeld des Substrats als eine Zeitfunktion 6 3/2016

Aus Forschung und Technik Dr. Ankur Jain: „Die ResearchIR-Software von FLIR hat die Zusammenarbeit deutlich verbessert – und zwar nicht nur in unserem Team, sondern auch zwischen uns und anderen Teams.“ 3/2016 schichtmaterialien genau verstehen zu können, müssen wir dazu in der Lage sein, die thermischen Eigenschaften mit der sich entwickelnden Mikrostruktur und -morphologie, die wiederum mit dem Depositionsverfahren zusammenhängt, miteinander in Bezug zu bringen. Dadurch sollte es möglich sein, Eigenschaften wie die Leitfähigkeit, das Kompressionsmodul, die Stärke und thermische Grenzwiderstände zu ermitteln. Dr. Ankur Jain: „Wir interessieren uns besonders für die zeitliche Entwicklung eines Temperaturfelds bei einem Mikrogerät. Indem wir die thermischen Eigenschaften des Substrats messen, versuchen wir, die grundlegenden Eigenschaften der Wärmeübertragung auf der Mikroebene zu verstehen. Die ResearchIR-Software von Flir hat geholfen, dieses Verständnis deutlich zu verbessern.“ Bei Elektronik entsteht Wärme oftmals als unerwünschter Nebeneffekt der eigentlichen Gerätefunktion. Deshalb ist es wichtig, das transiente thermische Phänomen bei Dünnschichtmaterialien komplett zu verstehen. „Wenn wir herausfinden, wie der Wärmefluss in einem Mikrosystem abläuft, können wir Überhitzungsprobleme effizient minimieren. Das hilft uns dabei, bessere Mikrosysteme zu entwickeln und fundiertere Entscheidungen bei der Materialauswahl zu treffen. Beispielsweise haben wir eine Vergleichsstudie zu den Wärmetransporteigenschaften der verschiedenen Dünnschichtmaterialien ausgeführt.“ Dr. Ankur Jain erklärt weiter: „Bei einem typischen Testexperiment verbinden wir auf einem Substrat liegende Mikro-Heizdrähte mit einer Stromversorgungsquelle, dann legen wir eine sehr geringe elektrische Spannung an, und das Gerät wird mittels Stromwärme erwärmt. Dadurch entwickelt sich das Temperaturfeld des Substrats als eine Zeitfunktion.“ Geeignete Wärmebildkameras Um die Temperatur von Mikroelektronik-Geräten zu messen, hat das Team von Dr. Ankur Jain bereits zahlreiche verschiedene technische Hilfsmittel, wie Thermoelemente, verwendet. Eine der größten Herausforderungen bei dieser Technik ist jedoch, dass Thermoelemente Temperaturwerte immer nur an einem einzigen Punkt messen können. Deshalb entschloss sich Dr. Jain dazu, Wärmebildkameras von Flir einzusetzen, um einen vollständigen visuellen Eindruck vom gesamten Temperaturfeld zu gewinnen. Die Flir A6703sc wurde speziell für Anwendungen wie Elektronikinspektionen, medizinische Thermografie, Fertigungsüberwachung und zerstörungsfreie Materialprüfung entwickelt. Die Kamera eignet sich optimal zum Erfassen von Hochgeschwindigkeits-Wärmeereignissen und sich schnell bewegenden Zielen. Dank kurzer Belichtungszeiten Dr. Ankur Jain: „Wir interessieren uns besonders für die zeitliche Entwicklung eines Temperaturfelds bei einem Mikrogerät. Indem wir die thermischen Eigenschaften des Substrats messen, versuchen wir, die grundlegenden Eigenschaften der Wärmeübertragung auf der Mikroebene zu verstehen.“ kann der Benutzer die Bewegung „einfrieren“ und präzise Temperaturmessungen vornehmen. Die Bildausgabe der Kamera lässt sich im Teilbildformat (Windowing) auf eine Bildrate von 480 fps erhöhen, um auch schnellere thermische Ereignisse präzise zu beschreiben und sicherzustellen, dass während einer Überprüfung keine wichtigen Daten verloren gehen. „Bei den Geräten, die uns interessieren, treten die thermischen Phänomene, die wir messen wollen, besonders schnell und spontan auf. Deshalb benötigen wir aussagekräftige Daten für den gesamten Messbereich und nicht nur für einzelne Messpunkte“, sagt Dr. Ankur Jain. „Die A6703sc hat uns dabei geholfen, denn sie liefert besonders feine Detailmesswerte.” Thermoanalyse-Software Das Team von Dr. Ankur Jain verwendet zusätzlich die Analysesoftware Flir ResearchIR für Forschungs- und Wissenschaftsanwendungen. ResearchIR ist eine leistungsfähige und benutzerfreundliche Thermoanalyse-Software zur Steuerung und Kontrolle von Kamerasystemen, zur Hochgeschwindigkeits-Datenaufzeichnung sowie zur Analyse und Berichterstattung von Echtzeit- und Wiedergabedaten. „Die ResearchIR-Software hat sich als überaus nützlich erwiesen, insbesondere ihre Möglichkeit, die aufgenommenen Wärmebilder zu speichern und anschließend zur weiteren Analyse auf mehrere PCs zu übertragen“, so Dr. Jain. Hinweis: Die Bilder zeigen eventuell nicht die tatsächliche Auflösung der Kamera, sondern dienen nur zur Veranschaulichung. Flir Systems GmbH www.flir.com Dr. Ankur Jain: „Indem wir die thermischen Eigenschaften des Substrats messen, versuchen wir, die grundlegenden Eigenschaften der Wärmeübertragung auf der Mikroebene zu verstehen 7

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