CN102102949A - 一种利用分形理论优化加热结构的环境加热炉 - Google Patents

一种利用分形理论优化加热结构的环境加热炉 Download PDF

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朱福龙
宋劭
张伟
刘胜
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Abstract

本发明公开了一种利用分形理论优化加热结构的用于各种电子封装材料、微器件等微小试样测试的环境加热炉装置，包括金属外壳、绝热层、加热片、云母片和铜板，其中加热片一共有六片，其中底面两片，其余四片分别在四周的四个壁面内，基于分形优化理论的观点，加热片中加热丝按照分形曲线来布置电阻丝，消除了传统的“S形”绕线方式造成的温度场的取向性，并且使整个加热面温度分布更加均匀，提高了加热炉加热的均匀性，同时也提高了加热效率。

Description

一种利用分形理论优化加热结构的环境加热炉
技术领域
本发明属于微器件可靠性测试领域，具体涉及一种基于分形理论优化加热结构的环境加热炉装置，应用于封装材料、微器件等微小试样的可靠性测试，为可靠性测试提供一个稳定的高温环境。
背景技术
微电子技术是随着集成电路，尤其是超大规模集成电路的发展而发展起来的一门新技术。它包括系统电路设计、器件物理、工艺技术、材料制备、自动测试以及封装、组装等一系列专门技术，而且，微电子技术的发展还带动了其封装与连接材料的进步。如今，电子产品已渗透到人们日常生活的各个领域，微电子封装技术及材料市场获得高速发展。世界上微电子工业发达的国家和地区，如美国、日本、韩国和我国台湾等地，都高度重视微器件及其封装结构材料的可靠性测试。
微器件及其封装结构材料在现代社会中应用非常广泛，因此其材料性能(例如热-机械特性)和可靠性非常重要。但传统的材料测试机理和测试装置并不适用于微器件及其封装结构材料等微小试样，因此需要研究面向这些微型材料、微器件的测试技术和测试装置。在微电子器件的制造和使用过程中，封装结构材料的热-机械特性对材料性能有重大的影响。因此，对微电子器件与封装材料的热-机械特征行为进行检测有着重大的意义。
分形理论是当今世界十分风靡和活跃的新理论、新学科。分形几何认为，自然界的非规则形态，均可看成是具有无限嵌套层次的精细结构，是局部和整体按某种方式相似的结构。标准的自相似分形是数学上的抽象，迭代生成无限精细的结构，如科契(Koch)雪花曲线、谢尔宾斯基(Sierpinski)地毯曲线等。当分形曲线的维数大于或等于2时，便可由它充满平面，这些分形曲线是非自交、简单且自相似的。按照分形理论的观点，二维图形可以由两个或两个以上方向的扫描路径嵌套而成，二维图形的局部结构与二维整体结构是相似的。通常使用Lindenmayer方法(L系统)和迭代函数系统(IFS)在计算机上生成分形曲线，分形曲线的具体生成方法可以见文献：《分形扫描路径的规划》，作者宾鸿赞，武汉：华中科技大学出版社，2006。
发明内容
本发明的目的在于提出一种利用分形理论优化加热结构的环境加热炉，应用于封装材料、微器件等微小试样的可靠性测试。该装置与各种测试设备相结合可以实现在不同的温度条件下封装材料的热-机械特性测试。同时，在测试过程中，还可以通过加热箱的高透光性高温玻璃窗口观察，实现在热条件下，集成光学测量方法(例如云纹测试法、泰曼格林干涉法、云纹干涉仪等)进行应变测试。
实现本发明的目的所采用的具体技术方案为：
一种用于各种电子封装材料、微器件等微小试样可靠性测试的环境加热炉，其特征在于，该加热炉的壁面由外而内依次是金属外壳、绝热层、云母片、加热片、云母片和铜板。
进一步地，所述加热片为其上固定有电阻丝的云母片，所述电阻丝按分形曲线布置在云母片上。
进一步地，其中所述加热片中的云母片上设置有凹槽，所述电阻丝固定在所述凹槽中。
进一步地，所述加热片一共有六片，其中底面两片，其余四片分别在四周的四个侧壁面内。
进一步地，所述绝热层由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯三层构成，其中与云母片接触的内层采用Al2O3陶瓷，中间一层为石棉，与金属外壳接触的外层采用聚四氟乙烯起绝热作用。
进一步地，所述加热炉的上方设置有观察窗，该观察窗采用石英玻璃制成。
进一步地，所述加热炉其中两侧壁上开有槽，用于待测样品的放入取出。
进一步地，该加热炉还包括聚四氟乙烯堵块，用于在加热时封堵所述侧壁上的槽，避免热量流出。
加热箱外壳用不锈钢薄板制作，内部衬底用Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯层作为绝缘层，加热方式采用基于分形理论优化布置路径的电阻丝加热，采用多点布置精密热电耦(ACEZ 328Type K)进行测量，反馈控制加热系统，加热温度范围为室温～500℃，温度精度可达±1℃。
将分形理论应用到加热炉中电阻丝的布置，消除了传统的“S形”绕线方式造成的温度场的取向性，并且使整个加热面温度分布更加均匀，提高了加热炉加热的均匀性，同时也提高了加热效率。
本发明与已有的加热炉装置相比较，具有以下的优点：
其一，本发明加热炉装置设计成上方为观察窗，其余五面为加热面，与现有只有底面一个面进行加热的加热炉相比较，在工作过程中可以使加热更加均匀和迅速。
其二，本发明加热炉装置的加热范围更大，现有加热炉一般可以加热到300℃左右，本发明加热温度范围为室温～500℃，可以适应更高温度的加热需求。
其三，本发明加热炉装置的加热片基于分形理论对电阻丝的布置进行了优化，这样消除了传统的“S形”绕线方式造成的温度场的取向性，并且使整个加热面温度分布更加均匀，同时也提高了加热效率。
附图说明
图1中a是采用传统的“S形”绕线方式的加热片电阻丝布置方案，b是采用了分形曲线的加热片电阻丝布置方案。
图2是加热面结构简图，其中a是铜板，b和d是云母片，c是凹槽中装有电阻丝的云母片，e是绝热层。
图3是加热炉结构示意图。其中1和5是金属外壳，2和4是基于分形曲线优化布置的电阻丝，3是加热片(云母片)，6是绝热层。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明。
本发明的应用于封装材料、微器件等微小试样测试的环境加热炉装置包括：
金属外壳：支撑作用，便于安装内部加热部件。
绝热层：材料为Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯，布置在加热片的外侧，防止热量散失到外面。
加热片：根据分形曲线在云母片上做一些凹槽，将电阻丝固定在凹槽里即成了加热片(如附图1.b所示)，云母片是热的良好导体，却不会导电，所以选用云母片。
云母片：导热不导电。
铜板：固定加热片，并向加热炉内部传导热量。
加热炉的壁面由外而内依次是金属外壳、绝热层、云母片、加热片、云母片、铜板。这样布置的好处在于，加热片产生的热量很少向外散失，都沿着云母片、铜板这个方向传递，并且在加热片和铜板之间还有一层甚至多层云母片，这就防止了电流向内传播，造成漏电伤人事件。
绝热层由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯构成，与云母片接触的内层采用Al2O3陶瓷，能够承受较高的温度，中间布置一层高隔热性的石棉，外层采用聚四氟乙烯起绝热作用，减少热量流失。
加热片一共有六片，其中底面两片，其余四片分别在四周的四个壁面内，保证加热装置内空间温度梯度的均匀稳定性，电阻丝的布置方式如图1.b所示。按照分形理论的观点，分形曲线(例如Hilbert曲线、FASS01曲线等)是一类可以填充任意形状、非自交、简单、自相似曲线。加热片的加热电阻丝按照分形曲线来布置，消除了传统的“S形”绕线方式造成的温度场的取向性，并且使整个加热面温度分布更加均匀，提高了加热炉空间内温度的均匀性，消除加热炉空间温度梯度的突变性，同时也提高了加热效率。本发明中的电阻丝的布置方式按照任意种类的分形曲线来布置均可以。
上部的观察窗采用的是高纯度高透光率的石英玻璃，可以承受高温，同时也有着良好的透光率，方便观察试样。同时也可以与各种光测设备结合在一起，进行各种试样的应变测试(例如与翘曲测试设备结合在一起用光学方法测量试样的翘曲度)。
云母片是一种导热不导电的材料。如图2所示，在每一个加热面的结构中，电阻丝贴在最中间的云母片凹槽中，凹槽的布置利用分形理论进行优化，再在该云母片的上下分别贴上一层云母片作为绝缘层，导热不导电。然后，在最上面放置一块铜板，使热量均匀分布，使加热箱内的试样处于一均匀的温度场内均匀受热。
金属外壳和绝缘层的左右两板都开有U型槽，以便夹持待测样品的夹持机构顺利的放入、取出，其结构如图3所示：
在两侧开了U型槽后夹持机构的放入和取出会比较方便，但热量也会从这里流出，所以还另外增加了两个附有隔热材料的聚四氟乙烯堵块，两个堵块固定在玻璃盖板上，当盖上玻璃上板后，两个堵块自然堵住了两侧的U型槽，只有两个夹持机构从圆孔中伸出。完成后的加热炉如图3所示。

Claims (8)

1. 一种用于电子封装材料和微器件可靠性测试的环境加热炉，其特征在于，该加热炉的壁面由外而内依次是金属外壳、绝热层、云母片、加热片、云母片和铜板。
2.根据权利要求1所述的加热炉装置，其特征在于，所述加热片为其上固定有电阻丝的云母片，所述电阻丝按分形曲线布置在云母片上。
3.根据权利要求2所述的加热炉装置，其特征在于，其中所述加热片中的云母片上设置有凹槽，所述电阻丝固定在所述凹槽中。
4.根据权利要求1-3之一所述的加热炉装置，其特征在于，所述加热片一共有六片，其中底面两片，其余四片分别在四周的四个侧壁面内。
5.根据权利要求1-4之一所述的加热炉装置，其特征在于，所述绝热层由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯三层构成，其中与云母片接触的内层采用Al2O3陶瓷，中间一层为石棉，与金属外壳接触的外层采用聚四氟乙烯。
6.根据权利要求1-5之一所述的加热炉装置，其特征在于，所述加热炉的上方设置有观察窗，该观察窗采用石英玻璃制成。
7.根据权利要求1-6之一所述的加热炉装置，其特征在于，所述加热炉其中两侧壁上开有槽，用于待测样品的放入取出。
8.根据权利要求7所述的加热炉装置，其特征在于，该加热炉还包括聚四氟乙烯堵块，用于在加热时封堵所述侧壁上的槽，避免热量流出。
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