專(zhuān)利名稱(chēng)：一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的環(huán)境加熱爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微器件可靠性測(cè)試領(lǐng)域，具體涉及一種基于分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的 環(huán)境加熱爐裝置，應(yīng)用于封裝材料、微器件等微小試樣的可靠性測(cè)試，為可靠性測(cè)試提供一 個(gè)穩(wěn)定的高溫環(huán)境。
背景技術(shù)：
微電子技術(shù)是隨著集成電路，尤其是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展而發(fā)展起來(lái)的一門(mén) 新技術(shù)。它包括系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、器件物理、工藝技術(shù)、材料制備、自動(dòng)測(cè)試以及封裝、組裝等 一系列專(zhuān)門(mén)技術(shù)，而且，微電子技術(shù)的發(fā)展還帶動(dòng)了其封裝與連接材料的進(jìn)步。如今，電子 產(chǎn)品已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，微電子封裝技術(shù)及材料市場(chǎng)獲得高速發(fā)展。世界 上微電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國(guó)家和地區(qū)，如美國(guó)、日本、韓國(guó)和我國(guó)臺(tái)灣等地，都高度重視微器件 及其封裝結(jié)構(gòu)材料的可靠性測(cè)試。微器件及其封裝結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用非常廣泛，因此其材料性能(例如 熱-機(jī)械特性)和可靠性非常重要。但傳統(tǒng)的材料測(cè)試機(jī)理和測(cè)試裝置并不適用于微器件 及其封裝結(jié)構(gòu)材料等微小試樣，因此需要研究面向這些微型材料、微器件的測(cè)試技術(shù)和測(cè) 試裝置。在微電子器件的制造和使用過(guò)程中，封裝結(jié)構(gòu)材料的熱-機(jī)械特性對(duì)材料性能有 重大的影響。因此，對(duì)微電子器件與封裝材料的熱-機(jī)械特征行為進(jìn)行檢測(cè)有著重大的意 義。分形理論是當(dāng)今世界十分風(fēng)靡和活躍的新理論、新學(xué)科。分形幾何認(rèn)為，自然界 的非規(guī)則形態(tài)，均可看成是具有無(wú)限嵌套層次的精細(xì)結(jié)構(gòu)，是局部和整體按某種方式相似 的結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的自相似分形是數(shù)學(xué)上的抽象，迭代生成無(wú)限精細(xì)的結(jié)構(gòu)，如科契(Koch)雪 花曲線(xiàn)、謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯曲線(xiàn)等。當(dāng)分形曲線(xiàn)的維數(shù)大于或等于2時(shí)，便可 由它充滿(mǎn)平面，這些分形曲線(xiàn)是非自交、簡(jiǎn)單且自相似的。按照分形理論的觀(guān)點(diǎn)，二維圖形 可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上方向的掃描路徑嵌套而成，二維圖形的局部結(jié)構(gòu)與二維整體結(jié)構(gòu)是 相似的。通常使用Lindenmayer方法(L系統(tǒng))和迭代函數(shù)系統(tǒng)(IFQ在計(jì)算機(jī)上生成分 形曲線(xiàn)，分形曲線(xiàn)的具體生成方法可以見(jiàn)文獻(xiàn)《分形掃描路徑的規(guī)劃》，作者賓鴻贊，武漢 華中科技大學(xué)出版社，2006。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的環(huán)境加熱爐，應(yīng)用于封 裝材料、微器件等微小試樣的可靠性測(cè)試。該裝置與各種測(cè)試設(shè)備相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)在不同 的溫度條件下封裝材料的熱-機(jī)械特性測(cè)試。同時(shí)，在測(cè)試過(guò)程中，還可以通過(guò)加熱箱的高 透光性高溫玻璃窗口觀(guān)察，實(shí)現(xiàn)在熱條件下，集成光學(xué)測(cè)量方法(例如云紋測(cè)試法、泰曼格 林干涉法、云紋干涉儀等)進(jìn)行應(yīng)變測(cè)試。實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的所采用的具體技術(shù)方案為—種用于各種電子封裝材料、微器件等微小試樣可靠性測(cè)試的環(huán)境加熱爐，其特征在于，該加熱爐的壁面由外而內(nèi)依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片和銅 板。進(jìn)一步地，所述加熱片為其上固定有電阻絲的云母片，所述電阻絲按分形曲線(xiàn)布 置在云母片上。進(jìn)一步地，其中所述加熱片中的云母片上設(shè)置有凹槽，所述電阻絲固定在所述凹 槽中。進(jìn)一步地，所述加熱片一共有六片，其中底面兩片，其余四片分別在四周的四個(gè)側(cè)
壁面內(nèi)。進(jìn)一步地，所述絕熱層由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯三層構(gòu)成，其中與云母片 接觸的內(nèi)層采用Al2O3陶瓷，中間一層為石棉，與金屬外殼接觸的外層采用聚四氟乙烯起絕 熱作用。進(jìn)一步地，所述加熱爐的上方設(shè)置有觀(guān)察窗，該觀(guān)察窗采用石英玻璃制成。進(jìn)一步地，所述加熱爐其中兩側(cè)壁上開(kāi)有槽，用于待測(cè)樣品的放入取出。進(jìn)一步地，該加熱爐還包括聚四氟乙烯堵塊，用于在加熱時(shí)封堵所述側(cè)壁上的槽， 避免熱量流出。加熱箱外殼用不銹鋼薄板制作，內(nèi)部襯底用Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯層作為 絕緣層，加熱方式采用基于分形理論優(yōu)化布置路徑的電阻絲加熱，采用多點(diǎn)布置精密熱電 耦(ACEZ 328Type K)進(jìn)行測(cè)量，反饋控制加熱系統(tǒng)，加熱溫度范圍為室溫 500°C，溫度精 度可達(dá)士 1°C。將分形理論應(yīng)用到加熱爐中電阻絲的布置，消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線(xiàn)方式造成的 溫度場(chǎng)的取向性，并且使整個(gè)加熱面溫度分布更加均勻，提高了加熱爐加熱的均勻性，同時(shí) 也提高了加熱效率。本發(fā)明與已有的加熱爐裝置相比較，具有以下的優(yōu)點(diǎn)其一，本發(fā)明加熱爐裝置設(shè)計(jì)成上方為觀(guān)察窗，其余五面為加熱面，與現(xiàn)有只有底 面一個(gè)面進(jìn)行加熱的加熱爐相比較，在工作過(guò)程中可以使加熱更加均勻和迅速。其二，本發(fā)明加熱爐裝置的加熱范圍更大，現(xiàn)有加熱爐一般可以加熱到300°C左 右，本發(fā)明加熱溫度范圍為室溫 500°C，可以適應(yīng)更高溫度的加熱需求。其三，本發(fā)明加熱爐裝置的加熱片基于分形理論對(duì)電阻絲的布置進(jìn)行了優(yōu)化，這 樣消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線(xiàn)方式造成的溫度場(chǎng)的取向性，并且使整個(gè)加熱面溫度分布更加 均勻，同時(shí)也提高了加熱效率。


圖1中a是采用傳統(tǒng)的“S形”繞線(xiàn)方式的加熱片電阻絲布置方案，b是采用了分 形曲線(xiàn)的加熱片電阻絲布置方案。圖2是加熱面結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其中a是銅板，b和d是云母片，c是凹槽中裝有電阻絲的 云母片，e是絕熱層。圖3是加熱爐結(jié)構(gòu)示意圖。其中1和5是金屬外殼，2和4是基于分形曲線(xiàn)優(yōu)化布 置的電阻絲，3是加熱片(云母片)，6是絕熱層。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明。本發(fā)明的應(yīng)用于封裝材料、微器件等微小試樣測(cè)試的環(huán)境加熱爐裝置包括金屬外殼支撐作用，便于安裝內(nèi)部加熱部件。絕熱層材料為Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯，布置在加熱片的外側(cè)，防止熱量散 失到外面。加熱片根據(jù)分形曲線(xiàn)在云母片上做一些凹槽，將電阻絲固定在凹槽里即成了加 熱片(如附圖l.b所示)，云母片是熱的良好導(dǎo)體，卻不會(huì)導(dǎo)電，所以選用云母片。云母片導(dǎo)熱不導(dǎo)電。銅板固定加熱片，并向加熱爐內(nèi)部傳導(dǎo)熱量。加熱爐的壁面由外而內(nèi)依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片、銅板。 這樣布置的好處在于，加熱片產(chǎn)生的熱量很少向外散失，都沿著云母片、銅板這個(gè)方向傳 遞，并且在加熱片和銅板之間還有一層甚至多層云母片，這就防止了電流向內(nèi)傳播，造成漏 電傷人事件。絕熱層由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯構(gòu)成，與云母片接觸的內(nèi)層采用Al2O3陶 瓷，能夠承受較高的溫度，中間布置一層高隔熱性的石棉，外層采用聚四氟乙烯起絕熱作 用，減少熱量流失。加熱片一共有六片，其中底面兩片，其余四片分別在四周的四個(gè)壁面內(nèi)，保證加熱 裝置內(nèi)空間溫度梯度的均勻穩(wěn)定性，電阻絲的布置方式如圖l.b所示。按照分形理論的觀(guān) 點(diǎn)，分形曲線(xiàn)(例如Hilbert曲線(xiàn)、FASSOl曲線(xiàn)等)是一類(lèi)可以填充任意形狀、非自交、簡(jiǎn) 單、自相似曲線(xiàn)。加熱片的加熱電阻絲按照分形曲線(xiàn)來(lái)布置，消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線(xiàn)方式 造成的溫度場(chǎng)的取向性，并且使整個(gè)加熱面溫度分布更加均勻，提高了加熱爐空間內(nèi)溫度 的均勻性，消除加熱爐空間溫度梯度的突變性，同時(shí)也提高了加熱效率。本發(fā)明中的電阻絲 的布置方式按照任意種類(lèi)的分形曲線(xiàn)來(lái)布置均可以。上部的觀(guān)察窗采用的是高純度高透光率的石英玻璃，可以承受高溫，同時(shí)也有著 良好的透光率，方便觀(guān)察試樣。同時(shí)也可以與各種光測(cè)設(shè)備結(jié)合在一起，進(jìn)行各種試樣的應(yīng) 變測(cè)試(例如與翹曲測(cè)試設(shè)備結(jié)合在一起用光學(xué)方法測(cè)量試樣的翹曲度)。云母片是一種導(dǎo)熱不導(dǎo)電的材料。如圖2所示，在每一個(gè)加熱面的結(jié)構(gòu)中，電阻絲 貼在最中間的云母片凹槽中，凹槽的布置利用分形理論進(jìn)行優(yōu)化，再在該云母片的上下分 別貼上一層云母片作為絕緣層，導(dǎo)熱不導(dǎo)電。然后，在最上面放置一塊銅板，使熱量均勻分 布，使加熱箱內(nèi)的試樣處于一均勻的溫度場(chǎng)內(nèi)均勻受熱。金屬外殼和絕緣層的左右兩板都開(kāi)有U型槽，以便夾持待測(cè)樣品的夾持機(jī)構(gòu)順利 的放入、取出，其結(jié)構(gòu)如圖3所示在兩側(cè)開(kāi)了 U型槽后夾持機(jī)構(gòu)的放入和取出會(huì)比較方便，但熱量也會(huì)從這里流 出，所以還另外增加了兩個(gè)附有隔熱材料的聚四氟乙烯堵塊，兩個(gè)堵塊固定在玻璃蓋板上， 當(dāng)蓋上玻璃上板后，兩個(gè)堵塊自然堵住了兩側(cè)的U型槽，只有兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)從圓孔中伸出。 完成后的加熱爐如圖3所示。
權(quán)利要求
1.一種用于電子封裝材料和微器件可靠性測(cè)試的環(huán)境加熱爐，其特征在于，該加熱爐 的壁面由外而內(nèi)依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片和銅板。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的加熱爐裝置，其特征在于，所述加熱片為其上固定有電阻絲 的云母片，所述電阻絲按分形曲線(xiàn)布置在云母片上。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的加熱爐裝置，其特征在于，其中所述加熱片中的云母片上設(shè) 置有凹槽，所述電阻絲固定在所述凹槽中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的加熱爐裝置，其特征在于，所述加熱片一共有六片，其 中底面兩片，其余四片分別在四周的四個(gè)側(cè)壁面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-4之一所述的加熱爐裝置，其特征在于，所述絕熱層由Al2O3陶瓷、 石棉和聚四氟乙烯三層構(gòu)成，其中與云母片接觸的內(nèi)層采用Al2O3陶瓷，中間一層為石棉， 與金屬外殼接觸的外層采用聚四氟乙烯。
6.根據(jù)權(quán)利要求1-5之一所述的加熱爐裝置，其特征在于，所述加熱爐的上方設(shè)置有 觀(guān)察窗，該觀(guān)察窗采用石英玻璃制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-6之一所述的加熱爐裝置，其特征在于，所述加熱爐其中兩側(cè)壁上 開(kāi)有槽，用于待測(cè)樣品的放入取出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的加熱爐裝置，其特征在于，該加熱爐還包括聚四氟乙烯堵塊， 用于在加熱時(shí)封堵所述側(cè)壁上的槽，避免熱量流出。
全文摘要
本發(fā)明公開(kāi)了一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的用于各種電子封裝材料、微器件等微小試樣測(cè)試的環(huán)境加熱爐裝置，包括金屬外殼、絕熱層、加熱片、云母片和銅板，其中加熱片一共有六片，其中底面兩片，其余四片分別在四周的四個(gè)壁面內(nèi)，基于分形優(yōu)化理論的觀(guān)點(diǎn)，加熱片中加熱絲按照分形曲線(xiàn)來(lái)布置電阻絲，消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線(xiàn)方式造成的溫度場(chǎng)的取向性，并且使整個(gè)加熱面溫度分布更加均勻，提高了加熱爐加熱的均勻性，同時(shí)也提高了加熱效率。
文檔編號(hào)F27B17/02GK102102949SQ20111003195
公開(kāi)日2011年6月22日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉勝, 宋劭, 張偉, 朱福龍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)