Tez Arşivi

Tez aramanızı kolaylaştıracak arama motoru. Yazar, danışman, başlık ve özete göre tezleri arayabilirsiniz.


Orta Doğu Teknik Üniversitesi / Fen Bilimleri Enstitüsü / Makine Mühendisliği Anabilim Dalı

An experimental and numerical investigation of warpage behavior of silicon substrates at cryogenic temperatures

Kryojenik sıcaklıklarda silisyum alttaş“ yüzey bükülme davranış“larının deneysel ve sayısal incelenmesi

Teze Git (tez.yok.gov.tr)

Bu tezin tam metni bu sitede bulunmamaktadır. Teze erişmek için tıklayın. Eğer tez bulunamazsa, YÖK Tez Merkezi tarama bölümünde 442026 tez numarasıyla arayabilirsiniz.

Özet:

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%.

Summary:

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.