專利名稱：一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的環(huán)境加熱爐的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型屬于微器件可靠性測試領(lǐng)域，具體涉及一種基于分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的環(huán)境加熱爐裝置，應(yīng)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(gè)穩(wěn)定的高溫環(huán)境。
背景技術(shù)：
微電子技術(shù)是隨著集成電路，尤其是超大規(guī)模集成電路的發(fā)展而發(fā)展起來的一門新技術(shù)。它包括系統(tǒng)電路設(shè)計(jì)、器件物理、工藝技術(shù)、材料制備、自動(dòng)測試以及封裝、組裝等一系列專門技術(shù)，而且，微電子技術(shù)的發(fā)展還帶動(dòng)了其封裝與連接材料的進(jìn)步。如今，電子產(chǎn)品已滲透到人們?nèi)粘Ｉ畹母鱾€(gè)領(lǐng)域，微電子封裝技術(shù)及材料市場獲得高速發(fā)展。世界上微電子工業(yè)發(fā)達(dá)的國家和地區(qū)，如美國、日本、韓國和我國臺(tái)灣等地，都高度重視微器件及其封裝結(jié)構(gòu)材料的可靠性測試。微器件及其封裝結(jié)構(gòu)材料在現(xiàn)代社會(huì)中應(yīng)用非常廣泛，因此其材料性能(例如熱-機(jī)械特性)和可靠性非常重要。但傳統(tǒng)的材料測試機(jī)理和測試裝置并不適用于微器件及其封裝結(jié)構(gòu)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(shù)和測試裝置。在微電子器件的制造和使用過程中，封裝結(jié)構(gòu)材料的熱-機(jī)械特性對(duì)材料性能有重大的影響。因此，對(duì)微電子器件與封裝材料的熱-機(jī)械特征行為進(jìn)行檢測有著重大的意義。分形理論是當(dāng)今世界十分風(fēng)靡和活躍的新理論、新學(xué)科。分形幾何認(rèn)為，自然界的非規(guī)則形態(tài)，均可看成是具有無限嵌套層次的精細(xì)結(jié)構(gòu)，是局部和整體按某種方式相似的結(jié)構(gòu)。標(biāo)準(zhǔn)的自相似分形是數(shù)學(xué)上的抽象，迭代生成無限精細(xì)的結(jié)構(gòu)，如科契(Koch)雪花曲線、謝爾賓斯基(Sierpinski)地毯曲線等。當(dāng)分形曲線的維數(shù)大于或等于2時(shí)，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(diǎn)，二維圖形可以由兩個(gè)或兩個(gè)以上方向的掃描路徑嵌套而成，二維圖形的局部結(jié)構(gòu)與二維整體結(jié)構(gòu)是相似的。通常使用Lindenmayer方法(L系統(tǒng))和迭代函數(shù)系統(tǒng)(IFQ在計(jì)算機(jī)上生成分形曲線，分形曲線的具體生成方法可以見文獻(xiàn)《分形掃描路徑的規(guī)劃》，作者賓鴻贊，武漢 華中科技大學(xué)出版社，2006。

實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型的目的在于提出一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的環(huán)境加熱爐，應(yīng)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(shè)備相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)在不同的溫度條件下封裝材料的熱-機(jī)械特性測試。同時(shí)，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(shí)現(xiàn)在熱條件下，集成光學(xué)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(jìn)行應(yīng)變測試。實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型的目的所采用的具體技術(shù)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(huán)境加熱爐，其特征在于，該加熱爐的壁面由外而內(nèi)依次是金屬外殼、絕熱層、云母片、加熱片、云母片和銅板。進(jìn)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(jìn)一步地，其中所述加熱片中的云母片上設(shè)置有凹槽，所述電阻絲固定在所述凹槽中。進(jìn)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(gè)側(cè)
壁面內(nèi)。進(jìn)一步地，所述絕熱層由Al2O3陶瓷、石棉和聚四氟乙烯三層構(gòu)成，其中與云母片接觸的內(nèi)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(jìn)一步地，所述加熱爐的上方設(shè)置有觀察窗，該觀察窗采用石英玻璃制成。進(jìn)一步地，所述加熱爐其中兩側(cè)壁上開有槽，用于待測樣品的放入取出。進(jìn)一步地，該加熱爐還包括聚四氟乙烯堵塊，用于在加熱時(shí)封堵所述側(cè)壁上的槽， 避免熱量流出。加熱箱外殼用不銹鋼薄板制作，內(nèi)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(yōu)化布置路徑的電阻絲加熱，采用多點(diǎn)布置精密熱電耦(ACEZ 328 Type K)進(jìn)行測量，反饋控制加熱系統(tǒng)，加熱溫度范圍為室溫 500°C，溫度精度可達(dá)士 1°C。將分形理論應(yīng)用到加熱爐中電阻絲的布置，消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性，并且使整個(gè)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(shí)也提高了加熱效率。本實(shí)用新型與已有的加熱爐裝置相比較，具有以下的優(yōu)點(diǎn)其一，本實(shí)用新型加熱爐裝置設(shè)計(jì)成上方為觀察窗，其余五面為加熱面，與現(xiàn)有只有底面一個(gè)面進(jìn)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(shí)用新型加熱爐裝置的加熱范圍更大，現(xiàn)有加熱爐一般可以加熱到300°C 左右，本實(shí)用新型加熱溫度范圍為室溫 500°C，可以適應(yīng)更高溫度的加熱需求。其三，本實(shí)用新型加熱爐裝置的加熱片基于分形理論對(duì)電阻絲的布置進(jìn)行了優(yōu)化，這樣消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性，并且使整個(gè)加熱面溫度分布更加均勻，同時(shí)也提高了加熱效率。

圖1中a是采用傳統(tǒng)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(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)示意圖。其中，圖3a為加熱爐結(jié)構(gòu)的主視圖，圖北為加熱爐結(jié)構(gòu)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(yōu)化布置的電阻絲，3是加熱片(云母片)，6是絕熱層。
具體實(shí)施方式

以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步說明。本實(shí)用新型的應(yīng)用于封裝材料、微器件等微小試樣測試的環(huán)境加熱爐裝置包括金屬外殼支撐作用，便于安裝內(nèi)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(cè)，防止熱量散失到外面。加熱片根據(jù)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(dǎo)體，卻不會(huì)導(dǎo)電，所以選用云母片。云母片導(dǎo)熱不導(dǎo)電。銅板固定加熱片，并向加熱爐內(nèi)部傳導(dǎo)熱量。加熱爐的壁面由外而內(nèi)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(chǎn)生的熱量很少向外散失，都沿著云母片、銅板這個(gè)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(nèi)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(gòu)成，與云母片接觸的內(nèi)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(gè)壁面內(nèi)，保證加熱裝置內(nèi)空間溫度梯度的均勻穩(wěn)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(diǎn)，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(tǒng)的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性，并且使整個(gè)加熱面溫度分布更加均勻，提高了加熱爐空間內(nèi)溫度的均勻性，消除加熱爐空間溫度梯度的突變性，同時(shí)也提高了加熱效率。本實(shí)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(shí)也有著良好的透光率，方便觀察試樣。同時(shí)也可以與各種光測設(shè)備結(jié)合在一起，進(jìn)行各種試樣的應(yīng)變測試(例如與翹曲測試設(shè)備結(jié)合在一起用光學(xué)方法測量試樣的翹曲度)。云母片是一種導(dǎo)熱不導(dǎo)電的材料。如圖2所示，在每一個(gè)加熱面的結(jié)構(gòu)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(jìn)行優(yōu)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(dǎo)熱不導(dǎo)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(nèi)的試樣處于一均勻的溫度場內(nèi)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(jī)構(gòu)順利的放入、取出，其結(jié)構(gòu)如圖3所示在兩側(cè)開了 U型槽后夾持機(jī)構(gòu)的放入和取出會(huì)比較方便，但熱量也會(huì)從這里流出，所以還另外增加了兩個(gè)附有隔熱材料的聚四氟乙烯堵塊，兩個(gè)堵塊固定在玻璃蓋板上， 當(dāng)蓋上玻璃上板后，兩個(gè)堵塊自然堵住了兩側(cè)的U型槽，只有兩個(gè)夾持機(jī)構(gòu)從圓孔中伸出。 完成后的加熱爐如圖3所示。
權(quán)利要求1.一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的環(huán)境加熱爐，其特征在于，該加熱爐的壁面由外而內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1所述的環(huán)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(jù)權(quán)利要求2所述的環(huán)境加熱爐，其特征在于，其中所述加熱片中的云母片上設(shè)置有凹槽，所述電阻絲固定在所述凹槽中。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的環(huán)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(gè)側(cè)壁面內(nèi)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的環(huán)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(gòu)成，其中與云母片接觸的內(nèi)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(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的環(huán)境加熱爐，其特征在于，所述加熱爐的上方設(shè)置有觀察窗，該觀察窗采用石英玻璃制成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1-3之一所述的環(huán)境加熱爐，其特征在于，所述加熱爐其中兩側(cè)壁上開有槽，用于待測樣品的放入取出。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的環(huán)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(shí)封堵所述側(cè)壁上的槽，避免熱量流出。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種利用分形理論優(yōu)化加熱結(jié)構(gòu)的用于各種電子封裝材料、微器件等微小試樣測試的環(huán)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(gè)壁面內(nèi)，基于分形優(yōu)化理論的觀點(diǎn)，加熱片中加熱絲按照分形曲線來布置電阻絲，消除了傳統(tǒng)的“S形”繞線方式造成的溫度場的取向性，并且使整個(gè)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(shí)也提高了加熱效率。
文檔編號(hào)G01B11/16GK201974043SQ201120031410
公開日2011年9月14日 申請(qǐng)日期2011年1月28日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月28日
發(fā)明者劉勝, 宋劭, 張偉, 朱福龍 申請(qǐng)人:華中科技大學(xué)