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: Belirtilmemiş.
Özet
Kriyojenik s ıcaklı klarda (120 K'den daha düşük) ve vakum alt ında çal ışan mikroelektronik ayg ıtlar n yüzey bükülme ve ısı l gerilim davran ışları aygı t güvenilirliğinin sağlanmas nda önemli parametrelerdir. Cihaz bileşenleri üzerinde oluşan aş ırı yüzey bükülmeleri ve yüksek ı sı l gerilimler, bağlantı arayüzlerinde bozulmaya, performans düşüşüne ya da yapı üzerinde direkt mekanik bozulmaya yol açabilir. Güvenilir ürünler elde edebilmek için genellikle“warpage”olarak adlandı rı lan yüzey bükülmeleri ve ısı l gerilimler optimize edilmelidir. Bu ayg ıtları n operasyon ve depolama durumlar ı aras ındaki büyük s ıcaklı k farkları ve kullan ılan farklı ı sı l genleşme katsayı sı na sahip malzemelerin yaratt ığı ısı l genleşme uyumsuzluğu yüzey bükülmelerinin ve ısı l gerilimlerin ana kaynağı dı r. Bu çal ışma ile entegre malzeme yapı ları üzerinde oluşan düzlem d ışı bükülmeleri hem kriyojenik sı caklı klarda hem de oda s cakl ığı nda ölçebilecek bir test düzeneği haz ırlanm ıştı r. Bu düzenekte faz değiştiricili Fizeau lazer interferometre sistemi kullan lm ıştı r. Kriyojenik s ıcaklı klara erişebilmek için test düzeneğinde sı vı azot kullan ılmaktad ır. Dört farkl ı ölçüm hatası kaynağı belirlenmiş ve her kaynağı n etkisi deneysel yöntemlerle, analitik çözümlerle ya da sonlu elemanlar analizi yöntemiyle belirlenmiştir. Bu sonuçlara göre, optik pencerenin ilk ve son s ıcaklı kları arası ndaki 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 aç ısı nı n etkisi ise üç farklı açı da optik pencere kullanı larak test edilmiş ve doruk koyak değerinde 30 nm farklı lı k tespit edilmiştir. Son olarak alt ve üst yüzeylerinde oluşan bas nç farkl ılı ğı 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 sonuçları na göre 0,13 um'lik minimum yüzey bükülmesi 1,27 mm seramik, 0,075 mm epoksi ve 0,1 mm silisyum malzeme kal ınlı kları 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 kalı nlı kları nı sabit tutmak şartı ile artan seramik kalı nlı ğı ve azalan silisyum kal ınlı ğı nı n yüzey bükülme değerini azaltt ığı gözlemlenmiştir. Farkl ı seramik ve silisyum kalı nlı kları nda toplam sekiz örnek deneysel olarak test edilmiştir. Bazı örneklerde yüksek deformasyona bağlı olarak tüm silisyum yüzeyi için girişim deseni oluşmad ığı gözlemlenmiştir. Bu durumda bulunan örnekler için küresel bükülmenin geçerli olduğu kabul edilmiş ve 80 K s ıcaklı ğı nda eğ- rilik yarı çapı ölçülerek tüm örneğin yüzey bükülme değeri hesaplanm ıştı r. Geri kalan tüm örnekler için direkt ölçüm sonuçlar ı alı nabilmiştir. Silisyum malzeme kalı nlı ğ ını n 0,1 mm olduğu test örneğinde oda s ıcaklı ğı nda dahi yüzey bükülme değeri yüksek deformasyon nedeniyle ölçülememiştir. Geri kalan yedi örnek için sonlu elemanlar analizi ve deneysel sonuçlar arası ndaki 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 diff erences between the operation and storage temperatures of such devices, and the existence of thermal mismatch caused by materials having diff erent 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 diff erent 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 di fference between optical window temperatures at the initial and final states causes 61.3 nm diff erence. Natural surface topology of optical window (BK7) changes the peak to valley (PV) di fference value of a sample by an amount of 27.2 nm. The eff ect of optical window tilt angle on PV is determined as 30 nm by testing the same sample at three di fferent optical window tilt angles. Finally the PV diff erence of a sample caused by the det ection of the optical window related to pressure diff erence 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 di fferent 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
- İzmir'de bazı yolların kapatılarak yaya bölgeleri oluşturma da kent peyzajını geliştirme açısından yeniden planlanması üzerinde araştırmalar
Başlık çevirisi yok
BAHAR TÜRKYILMAZ
- Kuyruk modelleri ve analizi üzerine bir uygulama
Başlık çevirisi yok
DİDEM ÖZPULAT
Yüksek Lisans
Türkçe
1985
Ege ÜniversitesiBilgisayar Bilimleri ve Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Yükleniyor...
- Süt formüllerinin tüketim uygulamaları ve süt formüllerinin C vitamini içeriği ile pH değerleri
Başlık çevirisi yok
GÖNÜL VAROL