An experimental and numerical investigation of warpage behavior of silicon substrates at cryogenic temperatures
Kryojenik sıcaklıklarda silisyum alttaş yüzey bükülme davranışlarının deneysel ve sayısal incelenmesi
- Tez No: 442026
- Danışmanlar: DOÇ. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT, PROF. DR. ZAFER DURSUNKAYA
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Makine Mühendisliği, Mechanical Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2016
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Belirtilmemiş.
- Sayfa Sayısı: 133
Özet
Kriyojenik sıcaklıklarda (120 K'den daha düşük) ve vakum altında çalışan mikroelektronik aygıtlarn yüzey bükülme ve ısıl gerilim davranışları aygıt güvenilirliğinin sağlanmasnda önemli parametrelerdir. Cihaz bileşenleri üzerinde oluşan aşırı yüzey bükülmeleri ve yüksek ısıl gerilimler, bağlantı arayüzlerinde bozulmaya, performans düşüşüne ya da yapı üzerinde direkt mekanik bozulmaya yol açabilir. Güvenilir ürünler elde edebilmek için genellikle“warpage”olarak adlandırılan yüzey bükülmeleri ve ısıl gerilimler optimize edilmelidir. Bu aygıtların operasyon ve depolama durumları arasındaki büyük sıcaklık farkları ve kullanılan farklı ısıl genleşme katsayısına sahip malzemelerin yarattığı ısıl genleşme uyumsuzluğu yüzey bükülmelerinin ve ısıl gerilimlerin ana kaynağıdır. Bu çalışma ile entegre malzeme yapıları üzerinde oluşan düzlem dışı bükülmeleri hem kriyojenik sıcaklıklarda hem de oda scaklığında ölçebilecek bir test düzeneği hazırlanmıştır. Bu düzenekte faz değiştiricili Fizeau lazer interferometre sistemi kullanlmıştır. Kriyojenik sıcaklıklara erişebilmek için test düzeneğinde sıvı azot kullanılmaktadır. Dört farklı ölçüm hatası kaynağı belirlenmiş ve her kaynağın etkisi deneysel yöntemlerle, analitik çözümlerle ya da sonlu elemanlar analizi yöntemiyle belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre, optik pencerenin ilk ve son sıcaklıkları arasındaki fark yüzünden değişen optik yolun neden olduğu hata 61,3 nm olarak belirlenmiştir. Optik pencerenin (BK7) yüzey topolojisinden kaynaklı olarak doruk koyak değeri (PV) 27,2 nm değişkenlik göstermiştir. Optik pencerenin eğiklik açısının etkisi ise üç farklı açıda optik pencere kullanılarak test edilmiş ve doruk koyak değerinde 30 nm farklılık tespit edilmiştir. Son olarak alt ve üst yüzeylerinde oluşan basnç farklılığı nedeniyle deforme olan optik pencerenin neden olduğu hata 15 nm olarak belirlenmiştir. Seramik-epoksi-silisyum üç katmanlı entegre yapı üzerinde gerçekleştirilen parametrik sonlu elemanlar analizi sonuçlarına göre 0,13 um'lik minimum yüzey bükülmesi 1,27 mm seramik, 0,075 mm epoksi ve 0,1 mm silisyum malzeme kalınlıkları için elde edilmiştir. Maksimum yü- zey bükülmesi ise 20,63 um değerinde olup 0,63 mm seramik, 0,5 mm epoksi ve 0,1 mm silisyum malzemeleri için gerçekleşmiştir. Diğer katman kalınlıklarını sabit tutmak şartı ile artan seramik kalınlığı ve azalan silisyum kalınlığının yüzey bükülme değerini azalttığı gözlemlenmiştir. Farklı seramik ve silisyum kalınlıklarında toplam sekiz örnek deneysel olarak test edilmiştir. Bazı örneklerde yüksek deformasyona bağlı olarak tüm silisyum yüzeyi için girişim deseni oluşmadığı gözlemlenmiştir. Bu durumda bulunan örnekler için küresel bükülmenin geçerli olduğu kabul edilmiş ve 80 K sıcaklığında eğ- rilik yarıçapı ölçülerek tüm örneğin yüzey bükülme değeri hesaplanmıştır. Geri kalan tüm örnekler için direkt ölçüm sonuçları alınabilmiştir. Silisyum malzeme kalınlığının 0,1 mm olduğu test örneğinde oda sıcaklığında dahi yüzey bükülme değeri yüksek deformasyon nedeniyle ölçülememiştir. Geri kalan yedi örnek için sonlu elemanlar analizi ve deneysel sonuçlar arasındaki hata değeri %12'yi geçmemiştir.
Özet (Çeviri)
Surface deformations and thermal stress behavior of microelectronic devices that operate at cryogenic temperatures (less than 120 K) and under vacuum conditions are important parameters to satisfy reliability requirements of such components. Excessive deformation and thermal stress on these devices may result in interconnect failure, performance degradation or any other direct mechanical failure of one or more components. To obtain reliable products, surface deformations named as warpage most widely and thermal stresses should be optimized. The sources of the warpage and thermal stresses are the great differences between the operation and storage temperatures of such devices, and the existence of thermal mismatch caused by materials having different thermal expansion coe fficients. In this study, an experimental setup is utilized to measure out of plane surface deformations of integrated assemblies at cryogenic temperatures as well as room temperature. The test setup is equipped with a phase shifting Fizeau laser interferometer system. To reach cryogenic temperatures liquid nitrogen is used as the coolant. Four different measurement error sources are defi ned and contribution of each source is determined by experimental methods, analytical solutions or by using fi nite element analysis. Optical path change due to the difference between optical window temperatures at the initial and final states causes 61.3 nm difference. Natural surface topology of optical window (BK7) changes the peak to valley (PV) difference value of a sample by an amount of 27.2 nm. The effect of optical window tilt angle on PV is determined as 30 nm by testing the same sample at three different optical window tilt angles. Finally the PV difference of a sample caused by the det ection of the optical window related to pressure difference on top and bottom surfaces is determined as 15 nm. According to the results of a parametric finite element analysis on a ceramic-epoxy-silicon trimaterial assembly, a minimum warpage with a value of 0.13 m exists for layer thicknesses of 1.27 mm ceramic, 0.075 mm epoxy and 0.1 mm silicon due to a temperature change between room temperature and 80 K whereas a maximum warpage of 20.60 m exists for layer thicknesses of 0.63 mm ceramic, 0.5 mm epoxy and 0.1 mm silicon. Moreover, it is observed that increasing the ceramic thickness or decreasing the silicon thickness by keeping other layer thicknesses constant decreases the warpage. A total number of eight samples with different ceramic and silicon thicknesses are experimentally studied. In some cases, a whole fi eld fringe formation is not observed for the silicon surface because of excessive deformation of the sample. In that situation, a spherical bending is assumed and the radius of curvature value of the sample is determined at 80 K. Extrapolation is handled to determine 80 K warpage value of such samples. The remaining sample results can be obtained directly from measurements. For the integrated structure that contains 0.1 mm thick silicon, successful warpage measurement could not be obtained even at room temperature due to excessive deformation of the sample. For all of the remaining seven cases, error value between finite element analysis and experimental results does not exceed 12.0%.
Benzer Tezler
- Ters basınç gradyanı altındaki türbülanslı sınır tabakanın aktif kontrolün deneysel ve sayısal incelenmesi
An experimental and numerical investigation of active control of an adverse pressure gradient turbulent boundary layer
ALTAN YÜCEL
Yüksek Lisans
Türkçe
2018
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
YRD. DOÇ. DR. DUYGU ERDEM
- İki kapılı buzdolabında soğuma sürecinin deneysel ve sayısal incelenmesi
An experimental and numerical investigation of cooling process on a two door household refrigerator
BUĞRA SEMİH ERSAN
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. LEVENT ALİ KAVURMACIOĞLU
- Yatayla eğimli yüzeylere çarpan jet akışlarının deneysel ve teorik olarak incelenmesi
An experimental and numerical investigation of inclination on an impinging slot air jet flow
ARASH SETAREH
Yüksek Lisans
Türkçe
2008
Bilim ve TeknolojiKaradeniz Teknik ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ORHAN AYDIN
- An experimental and numerical investigation of immersion cooled blue LED combined with yag:ce phosphor for thermal, electrical and optical performance
Termal, elektriksel ve optik performans için yag:ce fosfor ile birleştirilmiş sıvı soğutmalı mavi LED'in deneysel ve nümerik olarak incelenmesi
CEREN CENGİZ
Yüksek Lisans
İngilizce
2022
Makine MühendisliğiÖzyeğin ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MEHMET ARIK
- Titanyum karbür (TİC) takviyeli epoksi ile güçlendirilmiş hibrit kompozitlerin çarpma davranışının deneysel ve sayısal incelenmesi
An experimental and numerical investigation of impact behaviour of TIC added epoxy reinforced hybrid composites
MUSTAFA TAŞLIDERE
Yüksek Lisans
Türkçe
2019
Makine MühendisliğiIsparta Uygulamalı Bilimler Üniversitesiİmalat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MUSTAFA REŞİT USAL