Tez No |
İndirme |
Tez Künye |
Durumu |
442026
|
|
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
Yazar:EYÜP CAN BALOĞLU
Danışman: DOÇ. DR. HANİFE TUBA OKUTUCU ÖZYURT ; PROF. DR. ZAFER DURSUNKAYA
Yer Bilgisi: Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
Konu:Makine Mühendisliği = Mechanical Engineering
Dizin:
|
Onaylandı
Yüksek Lisans
İngilizce
2016
133 s.
|
|
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.
|
|
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 coefficients. 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 defined and contribution of each source is determined by experimental methods, analytical
solutions or by using finite 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 detection 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 field 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%. |