Ebben a dolgozatban szeretném bemutatni a fenti tevékenység során elért eredményeket, amelyek véleményem szerint tézisértékűek.
Felületi jellemzők mérése, felületi potenciál feltérképezése
- A Kelvin módszer elméleti alapjai
- Felületi mennyiségek mérésére szolgáló léptető elvű
- A megvalósított rendszer működési vázlata
- Az érzékelt pont méretcsökkenésének következményei
- Új eljárás nagyfelbontású, csökkentett zajú Kelvin mérésre
- A megoldás vázlata
- Összefoglalás, új eredmények
- Irodalom
További probléma, hogy a parazita rezgő kondenzátorok árama a minta és a rezgőelektróda közötti átlagos távolsággal változik, így a mért érintkezési potenciál különbség némileg függ az átlagos távolságtól. Az érintkezési potenciálkülönbség úgy határozható meg, hogy a nulla ponttól távol eső pontokon mérjük az eltolási áramot a kompenzációs feszültség függvényében, és a mért értékek pontjaira egy egyenest illesztünk. A rezgőkondenzátor érintkezési potenciálkülönbség mérésének síkbeli felbontását alapvetően az alkalmazott referenciaelektróda mérete határozza meg.
A jel-zaj viszony romlásának kompenzálására olyan eljárást dolgoztam ki, amelyben statisztikai módszerekkel pontosabban meghatározható az érintkezési potenciál különbség. Látható, hogy az érintkezési potenciál különbség 600 és 700 mV között van, de az egyensúlyi pont a zajban "elvész".
Valós fizikai rendszerek lineáris termikus modellje és főbb
- Hőmérséklet, hőáram
- A hőterjedés
- Hőellenállás, hőkapacitás
- Termikus rendszerek lineáris közelítése
- Valós rendszerek fizikai modellje
- Valós rendszerek egydimenziós modelljének előállítása
- Termikus tranziens mérés
- A termikus impedancia helygörbe számítása
- Az időállandó spektrum számítása
- A struktúrafüggvények
- A struktúrafüggvények speciális tulajdonságai
- A struktúrafüggvények gyakorlati felhasználása
- Irodalom
Valódi fizikai rendszerek modellezhetők (hő)ellenállásokból és kapacitásokból álló hálózattal, a hálózatelmélet matematikai eszközeivel és számítási módszereivel (főleg elektromos hálózatokra fejlesztették ki). A lineáris hálózatelmélet alapján meg lehet határozni egy hálózat tetszőleges gerjesztésre adott időbeli válaszát, ha ismerjük a hálózat leíró funkcióit. A termikus rendszerek időfüggő viselkedésének legegyszerűbb ábrázolása a 2.3. ábrán látható az RTH hőellenállásból és a vele párhuzamosan kapcsolt CTH-ból.
Valós fizikai rendszerek esetén N→ ∞ és a diszkrét időállandók és hőellenállás értékek helyett a rendszert folyamatos R(τ) időállandó-spektrum jellemzi. Erre mutatnak példát Székely és munkatársai [2.8], akik a differenciális szerkezeti függvény alapján azonosították a bipoláris teljesítménytranzisztor rétegeit és geometriáját.
Integrált áramköri tokok egyes termikus multiport
Elméleti háttér
- A többkapus kompakt modell
- Többkapus modell paramétereinek meghatározása
A modell paraméterei nagymértékben függnek az integrált áramköri doboz alkalmazásának külső körülményeitől: a ház passzív vagy aktív hűtése, elhelyezése a panelen, a rögzítés pontos módja. Ha pontosan ismerjük az integrált áramkör felépítését és anyagait, akkor a hőáramlás és a hőmérséklet eloszlása természetesen adott környezeti feltételek mellett végeselemes szimulációval kiszámítható. A többkapus modell esetében az egykapus termikus modell leírásához hasonlóan az elektromos hálózatelmélet jól kidolgozott módszereit alkalmazzuk.
Az integrált áramkör házának minden olyan felületét portnak tekintjük, ahol hő keletkezhet vagy a környezetbe disszipálható. Egy esetben a vizsgált integrált áramköri tokozás fizikai felépítéséből indulnak ki, majd a fizikai szerkezet végeselemes szimulációjával vizsgálják az egyes kapuk közötti hatásokat. A kompakt modell finomhangolása, azaz a modellt alkotó hőellenállások és hőkapacitások értékeinek beállítása úgy, hogy a modellből számított válaszfüggvények közelítsék a végeselemes szimuláció és mérések eredményeit, valamint az előre meghatározott gerjesztéseket és peremfeltételeket.
A második megközelítésben egyáltalán nem a fizikai szerkezetnek megfelelő modellt keresünk, hanem valamilyen paraméterrendszerrel írjuk le a termikus viselkedést, pl. az integrált áramkör házát "fekete dobozként" kezeljük, és viselkedési szinten modellezzük termikus tulajdonságait. Ha a mátrixelemeket a frekvencia függvényében ismerjük, akkor az elektromos hálózatokhoz hasonlóan meghatározhatjuk a rendszer időtartománybeli viselkedését, másrészt az adott frekvenciafüggő viselkedés megfelelő közelítő termikus RC hálózatokkal modellezhető, amelyek könnyen és gyorsan kiszámíthatók, így alkalmasak elektrotermikus szimulációs célokra. A diplomamunka folytatásában a többajtós modellezéssel, a "fekete dobozzal" fogok foglalkozni, ezért a többajtós modell kifejezést a továbbiakban "fekete doboz"-nak nevezem.
Az impedanciamátrix egyes elemei a következőképpen definiálhatók: egységnyi gerjesztést alkalmazunk egy kiválasztott kapura, míg a többi kapura gerjesztést alkalmazunk. Az impedanciamátrix elemeinek a fenti módon történő meghatározása egyszerűen elvégezhető szimulációval, ha pontosan ismerjük a szerkezet geometriáját és a szerkezetet alkotó anyagok paramétereit. A kompakt modell paramétereit nemcsak szimulációval, hanem méréssel is kívánatos lenne meghatározni, hiszen a mérés „valódi” mintán történik.
A többkapus modellezés méréstechnikai problémái
- Elektromosan aktív kapu (chip)
- Felületen definiált kapuk
Méréstechnikailag a legegyszerűbb az egységugrásos gerjesztést alkalmazni, szinuszos gerjesztést csak szintgerjesztésre ráhelyezve lehet létrehozni, mivel a chipből elektromosan nem távolítható el a hő. Az integrált áramköri csomagok minősítésére olyan dedikált termikus tesztchip szerkezetek állnak rendelkezésre, amelyek jellemzői, hogy a chip felületének legalább 85%-a egyenletesen tele van disszipatív elemekkel a JEDEC [3.7] szabványban meghatározottak szerint. Digitális, rendkívül összetett CMOS logikai áramkörök esetén általában nem találunk külsőleg elektromosan gerjeszthető, nagy és megfelelő teljesítményű elemet, ezért az áramköri technológiában jelen lévő parazita elemeket kell alkalmaznunk.
Mivel a logikai áramkörök általában szinte egyenletes sűrűségben oszlanak el az integrált áramkör felületén, jó, szinte egyenletes disszipációt érhetünk el. A felületen meghatározott kapu esetében a kapu meghatározása már nem egyszerű: hiszen mind a hőáram, mind a hőmérséklet felületi eloszlása jellemző eloszlást mutat a ház anyagától és a külső peremviszonyoktól függően. Integrált áramköri szekrények felületi hőmérsékletének mérésére 0,2,0,4 mm átmérőjű, 5 ms válaszidővel rendelkező hőelemek kaphatók a kereskedelemben.
A kereskedelemben kapható infravörös szenzorok általában egy néhány mm átmérőjű folt hőmérsékletét érzékelik, ami esetminősítésre alkalmas. Az infravörös érzékelők érzékelik a felületről kibocsátott elektromágneses sugárzást, amely tipikus integrált áramköri hőmérsékleteken az infravörös spektrumban van. Mérési szempontból a legfontosabb a mért felület emissziós tényezőjének (ε) ismerete, ez a tényező a felület által kibocsátott hősugárzás és az ideális fekete test által kibocsátott hősugárzás arányát jelenti.
A hőáram mérésére szolgáló érzékelők általában a gradiens elvét alkalmazzák, vagyis az érzékelő keresztmetszetén áthaladó hőáram okozta hőmérséklet-különbséget az érzékelő mindkét oldalán elhelyezett hőelemek segítségével mérik. Az így létrejövő hűtőblokk hőátbocsátási tényezője akár 10kW/m2K is lehet, a blokk anyagától és méretétől, a hűtőfolyadék áramlási sebességétől és a termosztát hűtőteljesítményétől függően. Egy bizonyos értékű hőellenállású tömítés úgy érhető el, hogy az integrált áramkör háza és a hideglemez közé ismert hőellenállású anyagréteget helyezünk el.
Mérési eredmények egy integrált áramköri tokon
- Gerjesztés a chipen, mérés a tok felületen
- Gerjesztés a tok felületein lézersugárral
A méréssorozat első részében az integrált áramkör chipjét gerjesztettem és a ház felületét infravörös szenzorral vizsgáltam, a következő mérések esetén pedig lézersugárral gerjesztettem a felületeket és a chipen megvalósított szenzordiódával mértem a belső hőmérséklet változását. A méréssorozat első részében azt vizsgáltam, hogy a chip elektromos gerjesztésekor milyen felbontással és pontossággal mérhető infravörös érzékelővel egy felületen meghatározott hőkapu hőmérséklete. A tesztelt integrált áramkör házának hátoldalán lévő hűtőlemezt a hideglemezre helyeztem, majd bekapcsoltam a chipen a disszipációt és megmértem a hőmérséklet-átmenetet a ház szabad oldalán és a chipen.
Megvizsgáltam, hogy a felület különböző pontjain hogyan lehet érzékelni a hőtranzienseket, és miben térnek el azok természetükben. A chipen történő gerjesztés és a felületi hőmérsékletmérés felhasználásával a chip és a felületen meghatározott termikus port közötti transzfer bebocsátást a következőképpen határozhatjuk meg: (tegyük fel, hogy az első port maga a chip, a többi port pedig a felületeken meghatározott egyéb portok). Termikus rövidzárlati határfeltételt alkalmazunk a felületen meghatározott összes kapura, majd egységnyi ugrásgerjesztést alkalmazunk a chipre, és rögzítjük a chip hőtranziens válaszát.
A második lépésben a felület által meghatározott portokra egy adott port kivételével zárlatos termikus határfeltételt alkalmazunk, majd a chip gerjesztése közben mind a chip, mind az adott portfelület hőmérsékletváltozását rögzítjük. Amikor mindkét függvényt definiáljuk, ugyanúgy kell eljárnunk, csak az interfészben meghatározott két port szerepét kell váltanunk. Az első mérés során az integrált áramkör mindkét felületét egy hideglemezre helyeztem (ezt a mérési elrendezést "kettős hideglemeznek" vagy röviden DCP-beállításnak nevezzük), és rögzítettem a chip hőtranziens válaszát.
Az integrált áramkör felületét különböző pontokon lézersugárral gerjesztettem és mértem a chip hőtranziens válaszát. Megállapítottam, hogy ezzel a módszerrel az impedancia helygörbéi ugyanolyan pontossággal számíthatók ki, mint a chip alapponti impedanciája, vagyis ezzel a módszerrel lehetőségünk van az integrált áramkör házának egyes pontjai és a chip közötti hőimpedancia közvetlen meghatározására. Hasonló módon tudjuk meghatározni az yBB értékét, a mérés során a T és B kapuk szerepének felcserélésével, de a vizsgált integrált áramköri csomagban lévő fémhűtő ezt nem teszi lehetővé.
Összefoglalás, új eredmények
Irodalom
Nyomtatott huzalozású hordozók hővezetési tulajdonságainak
- Előzmények
- Elméleti alapok
- Az effektív hővezetési együttható és térfogati hőkapacitás
- Szimulációs kísérletek
- Mérési eredmények infravörös kamera segítségével
- A mérési elrendezés
- Az effektív hővezetési együttható meghatározása
- Az effektív diffúzivitás meghatározása
- A lézerrel végzett mérések eredményei és értékelése
- Összefoglalás, új eredmények
- Irodalom
Joggal merül fel a kérdés, hogy ha az effektív hővezetési tulajdonságokat így határozzuk meg, akkor miért van szükség egyáltalán ezek mérésére. Így a felületi hőmérséklet-eloszlás feltérképezésével megközelítőleg kiszámíthatjuk a hővezetési tényező effektív oldalirányú együtthatóját. A szimulációs kísérletek során azt vizsgáltam, hogy egy nyomtatott áramköri lap felületének egy ponton történő gerjesztésével és a hőmérséklet rögzítésével lehetséges-e a sugárirányú hőterjedési szakaszt a számított szerkezettől függően azonosítani, azaz hőtranziens mérést végezni, valamint a (4.6) egyenlettel meghatározni a hővezető képesség effektív együtthatóját.
A megadott adatok alapján a számított effektív hővezetési együttható λeff=18,9W/mK, az effektív térfogati hőkapacitás cveff =2,062J/cm3. Ha erre a szakaszra egy egyenes illeszkedik, akkor az effektív hővezetési együttható λeff = 18,79W/mK, ami nagyon jó egyezést ad a geometriai és anyagparaméterek alapján számított értékkel. Az effektív hőkapacitást a szerkezeti függvény utolsó, elméletileg végtelen lejtős része és az illesztett egyenes metszéspontja határozza meg.
Az effektív diffúzivitás meghatározásához hőtranziens mérést kell végezni az infrakamerával, azaz a teljes fűtési vagy hűtési folyamatot figyelemmel kell kísérni és rögzíteni. A méréseket különböző lézerteljesítményekkel végeztem, és az előző pontok alapján meghatároztam az effektív hővezetési együtthatót és diffúziót. A mérés nem váltotta be a várakozásokat, mivel mind az effektív hővezetési tényezőt, mind az effektív diffúziót mindössze 5-10%-osnak határozták meg.
A szimulált értékkel nagyobb effektív hővezető képességet és diffúziót mértem, ami valószínűleg az anyagparaméterek bizonytalanságából adódik, elsősorban az FR4-exoxyglass szövet termikus tulajdonságaiból, ami magyarázza az effektív diffúzivitás esetén mért nagy különbséget. Az effektív hővezető képesség eltérését a szimulált értéktől az okozhatja, hogy nem vették figyelembe a levegő hűtő hatását. Módszert dolgoztam ki a mért szerkezeti függvény sugárirányú hőeloszlásnak megfelelő szakaszainak gyors kiértékelésére, az effektív hővezetési együttható meghatározására.
Kis hővezető-képességű porok és szemcsés anyagok két és
- Az ipari probléma
- Az irodalomból ismert megoldások
- A szárítási és a mérési feladat együttes megoldására
- A mérési eredmények
- Előzetes kísérletek
- A mérési eljárás
- Összefoglalás, új eredmények
- Irodalom
A lokális túlmelegedés kamera segítségével történő észlelése tehát csak akkor lehetséges, ha a túlhevült anyag keveredés következtében és az infrakamera látóterében kerül a felszínre, ponthőmérsékletmérés esetén pedig a hőmérő közvetlen közelében van. A hőmérséklet-eloszlás feltérképezésére általánosan használt érintésmentes módszer a kibocsátott infravörös (IR) sugárzás intenzitásának mérése, azaz az infravörös termográfia. A berendezésen belüli képek készítése a gyakorlatban nagyon nehézkes, ezért a teflonlemezek hőmérséklet-eloszlását egyenként megemelve és az infrakamera elé helyezve rögzítettük.
A másik fontos eldöntendő kérdés az volt, hogy mivel az energiaátadás vége és az infravörös képalkotás között szükségszerűen több perc telik el, nem hűl-e le jelentősen ezalatt az anyag, és nem kiegyenlítődnek-e túlzottan az egyes rétegek hőmérséklet-különbségei. Az első néhány kép alapján eldöntöttük, hogy az így kapott hőmérsékleti képen melyik volt a legmelegebb pont, és az előzetes kísérlet felgyorsítása érdekében ezen a ponton csak érintésmentes infravörös hőmérő méréseket végeztünk (■ pontok az 5.3. ábrán). A nyitáskori hőmérséklet-esést az 5.3. ábrán a belső hőmérő által mért pontok egyértelműen csak néhány fokosak voltak.).
A kvalitatív értékeléshez olyan számítógépes programot fejlesztettem, amely hat infravörös intenzitású térképképből álló halmaza alapján meghatározza egy maszkkal meghatározott szabálytalan alakú terület pontjainak abszolút hőmérsékletét, majd a hőmérsékleti értékekből statisztikát készít. A vákuumszárító kinyitása után a teflon lapokat egyenként eltávolítjuk, és az egyes rétegek infravörös intenzitású képét rögzítjük. Balra: a kukoricakeményítő 15 perces, mikrohullámú sütővel segített szárítása során kialakuló hőmérsékleti tér (hat teflonlemez hőmérséklet-eloszlása), jobbra: az egyes rétegek.
Az egyéb anyagokkal végzett kísérletek eredményei és az anyagválasztással kapcsolatos megállapítások nem képezik a dolgozat tárgyát, a főbb megállapítások az [5.8] cikkben találhatók. Megmutattam, hogy az adott méreteknél a teflonlemezen lévő anyag hőmérséklet-eloszlása nem változik jelentősen a jelölés és az infravörös kép közötti időben. Kidolgoztam azt a számítógépes programot, amely az infravörös képsorozatból meghatározza a szárítandó anyag háromdimenziós tartományának hőmérsékleti értékeit.
Köszönetnyilvánítás
A tézisek összefoglalása
Kísérleti módszert dolgoztam ki a lézersugár gerjesztésen alapuló nyomdahuzalozás effektív hővezető képességének érintésmentes mérésére és hatékony diffúziójára. Eljárást dolgoztam ki a térbeli hőmérsékleti inhomogenitás kimutatására ipari folyamatok során (por és szemcsés anyagok szárítása mikrohullámú energia átvitelével). Kidolgoztam azt a számítógépes programot, amely infravörös képsorozatból meghatározza a szárítandó anyag háromdimenziós tartományának hőmérsékleti értékeit.
Az eljárás segítségével egy ipari mikrohullámú szárító kamrájában detektáltam a mikrohullámú teljesítmény nem egyenletes térbeli eloszlásából adódó hőmérsékleti csúcsokat.
Az egyes tézisekhez kapcsolódó saját publikációk
A dolgozatban felhasznált jelölések jegyzéke
