專利名稱:一種利用分形理論優化加熱結構的環境加熱爐的制作方法
技術領域:
本實用新型屬于微器件可靠性測試領域,具體涉及一種基于分形理論優化加熱結構的環境加熱爐裝置,應用于封裝材料、微器件等微小試樣的可靠性測試,為可靠性測試提供一個穩定的高溫環境。
背景技術:
微電子技術是隨著集成電路,尤其是超大規模集成電路的發展而發展起來的一門新技術。它包括系統電路設計、器件物理、工藝技術、材料制備、自動測試以及封裝、組裝等一系列專門技術,而且,微電子技術的發展還帶動了其封裝與連接材料的進步。如今,電子產品已滲透到人們日常生活的各個領域,微電子封裝技術及材料市場獲得高速發展。世界上微電子工業發達的國家和地區,如美國、日本、韓國和我國臺灣等地,都高度重視微器件及其封裝結構材料的可靠性測試。微器件及其封裝結構材料在現代社會中應用非常廣泛,因此其材料性能(例如熱-機械特性)和可靠性非常重要。但傳統的材料測試機理和測試裝置并不適用于微器件及其封裝結構材料等微小試樣,因此需要研究面向這些微型材料、微器件的測試技術和測試裝置。在微電子器件的制造和使用過程中,封裝結構材料的熱-機械特性對材料性能有重大的影響。因此,對微電子器件與封裝材料的熱-機械特征行為進行檢測有著重大的意義。分形理論是當今世界十分風靡和活躍的新理論、新學科。分形幾何認為,自然界的非規則形態,均可看成是具有無限嵌套層次的精細結構,是局部和整體按某種方式相似的結構。標準的自相似分形是數學上的抽象,迭代生成無限精細的結構,如科契(Koch)雪花曲線、謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯曲線等。當分形曲線的維數大于或等于2時,便可由它充滿平面,這些分形曲線是非自交、簡單且自相似的。按照分形理論的觀點,二維圖形可以由兩個或兩個以上方向的掃描路徑嵌套而成,二維圖形的局部結構與二維整體結構是相似的。通常使用Lindenmayer方法(L系統)和迭代函數系統(IFQ在計算機上生成分形曲線,分形曲線的具體生成方法可以見文獻《分形掃描路徑的規劃》,作者賓鴻贊,武漢 華中科技大學出版社,2006。
實用新型內容本實用新型的目的在于提出一種利用分形理論優化加熱結構的環境加熱爐,應用于封裝材料、微器件等微小試樣的可靠性測試。該裝置與各種測試設備相結合可以實現在不同的溫度條件下封裝材料的熱-機械特性測試。同時,在測試過程中,還可以通過加熱箱的高透光性高溫玻璃窗口觀察,實現在熱條件下,集成光學測量方法(例如云紋測試法、泰曼格林干涉法、云紋干涉儀等)進行應變測試。實現本實用新型的目的所采用的具體技術方案為—種用于各種電子封裝材料、微器件等微小試樣可靠性測試的環境加熱爐,其特征在于,該加熱爐的壁面由外而內依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片和銅板。進一步地,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布置在云母片上。進一步地,其中所述加熱片中的云母片上設置有凹槽,所述電阻絲固定在所述凹槽中。進一步地,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側
壁面內。進一步地,所述絕熱層由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯三層構成,其中與云母片接觸的內層采用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。進一步地,所述加熱爐的上方設置有觀察窗,該觀察窗采用石英玻璃制成。進一步地,所述加熱爐其中兩側壁上開有槽,用于待測樣品的放入取出。進一步地,該加熱爐還包括聚四氟乙烯堵塊,用于在加熱時封堵所述側壁上的槽, 避免熱量流出。加熱箱外殼用不銹鋼薄板制作,內部襯底用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化布置路徑的電阻絲加熱,采用多點布置精密熱電耦(ACEZ 328 Type K)進行測量,反饋控制加熱系統,加熱溫度范圍為室溫 500°C,溫度精度可達士 1°C。將分形理論應用到加熱爐中電阻絲的布置,消除了傳統的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性,并且使整個加熱面溫度分布更加均勻,提高了加熱爐加熱的均勻性,同時也提高了加熱效率。本實用新型與已有的加熱爐裝置相比較,具有以下的優點其一,本實用新型加熱爐裝置設計成上方為觀察窗,其余五面為加熱面,與現有只有底面一個面進行加熱的加熱爐相比較,在工作過程中可以使加熱更加均勻和迅速。其二,本實用新型加熱爐裝置的加熱范圍更大,現有加熱爐一般可以加熱到300°C 左右,本實用新型加熱溫度范圍為室溫 500°C,可以適應更高溫度的加熱需求。其三,本實用新型加熱爐裝置的加熱片基于分形理論對電阻絲的布置進行了優化,這樣消除了傳統的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性,并且使整個加熱面溫度分布更加均勻,同時也提高了加熱效率。
圖1中a是采用傳統的“S形”繞線方式的加熱片電阻絲布置方案,b是采用了分形曲線的加熱片電阻絲布置方案。圖2是加熱面結構簡圖,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是加熱爐結構示意圖。其中,圖3a為加熱爐結構的主視圖,圖北為加熱爐結構的部分剖視圖,其中1和5是金屬外殼,2和4是基于分形曲線優化布置的電阻絲,3是加熱片(云母片),6是絕熱層。
具體實施方式
以下結合附圖和具體實施例對本實用新型作進一步說明。本實用新型的應用于封裝材料、微器件等微小試樣測試的環境加熱爐裝置包括金屬外殼支撐作用,便于安裝內部加熱部件。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,防止熱量散失到外面。加熱片根據分形曲線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體,卻不會導電,所以選用云母片。云母片導熱不導電。銅板固定加熱片,并向加熱爐內部傳導熱量。加熱爐的壁面由外而內依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片、銅板。 這樣布置的好處在于,加熱片產生的熱量很少向外散失,都沿著云母片、銅板這個方向傳遞,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成,與云母片接觸的內層采用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壁面內,保證加熱裝置內空間溫度梯度的均勻穩定性,電阻絲的布置方式如圖l.b所示。按照分形理論的觀點,分形曲線(例如Hilbert曲線、FASSOl曲線等)是一類可以填充任意形狀、非自交、簡單、自相似曲線。加熱片的加熱電阻絲按照分形曲線來布置,消除了傳統的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性,并且使整個加熱面溫度分布更加均勻,提高了加熱爐空間內溫度的均勻性,消除加熱爐空間溫度梯度的突變性,同時也提高了加熱效率。本實用新型中的電阻絲的布置方式按照任意種類的分形曲線來布置均可以。上部的觀察窗采用的是高純度高透光率的石英玻璃,可以承受高溫,同時也有著良好的透光率,方便觀察試樣。同時也可以與各種光測設備結合在一起,進行各種試樣的應變測試(例如與翹曲測試設備結合在一起用光學方法測量試樣的翹曲度)。云母片是一種導熱不導電的材料。如圖2所示,在每一個加熱面的結構中,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行優化,再在該云母片的上下分別貼上一層云母片作為絕緣層,導熱不導電。然后,在最上面放置一塊銅板,使熱量均勻分布,使加熱箱內的試樣處于一均勻的溫度場內均勻受熱。金屬外殼和絕緣層的左右兩板都開有U型槽,以便夾持待測樣品的夾持機構順利的放入、取出,其結構如圖3所示在兩側開了 U型槽后夾持機構的放入和取出會比較方便,但熱量也會從這里流出,所以還另外增加了兩個附有隔熱材料的聚四氟乙烯堵塊,兩個堵塊固定在玻璃蓋板上, 當蓋上玻璃上板后,兩個堵塊自然堵住了兩側的U型槽,只有兩個夾持機構從圓孔中伸出。 完成后的加熱爐如圖3所示。
權利要求1.一種利用分形理論優化加熱結構的環境加熱爐,其特征在于,該加熱爐的壁面由外而內依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片和銅板。
2.根據權利要求1所述的環境加熱爐,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布置在云母片上。
3.根據權利要求2所述的環境加熱爐,其特征在于,其中所述加熱片中的云母片上設置有凹槽,所述電阻絲固定在所述凹槽中。
4.根據權利要求1-3之一所述的環境加熱爐,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側壁面內。
5.根據權利要求1-3之一所述的環境加熱爐,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成,其中與云母片接觸的內層采用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.根據權利要求1-3之一所述的環境加熱爐,其特征在于,所述加熱爐的上方設置有觀察窗,該觀察窗采用石英玻璃制成。
7.根據權利要求1-3之一所述的環境加熱爐,其特征在于,所述加熱爐其中兩側壁上開有槽,用于待測樣品的放入取出。
8.根據權利要求7所述的環境加熱爐,其特征在于,該加熱爐還包括聚四氟乙烯堵塊, 用于在加熱時封堵所述側壁上的槽,避免熱量流出。
專利摘要本實用新型公開了一種利用分形理論優化加熱結構的用于各種電子封裝材料、微器件等微小試樣測試的環境加熱爐裝置,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壁面內,基于分形優化理論的觀點,加熱片中加熱絲按照分形曲線來布置電阻絲,消除了傳統的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性,并且使整個加熱面溫度分布更加均勻,提高了加熱爐加熱的均勻性,同時也提高了加熱效率。
文檔編號G01B11/16GK201974043SQ201120031410
公開日2011年9月14日 申請日期2011年1月28日 優先權日2011年1月28日
發明者劉勝, 宋劭, 張偉, 朱福龍 申請人:華中科技大學