Câmeras da FLIR Revelam Características Térmicas de Dispositivos Microeletrônicos

No desenvolvimento de dispositivos eletrônicos e microeletrônicos, as informações térmicas de transientes são fundamentais para validar se um dispositivo ou uma parte específica do dispositivo está operando corretamente. Além disso, o desempenho da próxima geração de dispositivos microeletrônicos dependerá de um melhor entendimento das propriedades termofísicas dos vários materiais usados na microeletrônica. Na Universidade do Texas, em Arlington, a equipe do Dr. Ankur Jain, chefe do Laboratório de Termofísica de Microescala, estuda uma ampla gama de tópicos relacionados ao transporte térmico em microescala. O laboratório utiliza diversos equipamentos e instrumentos modernos, incluindo câmeras termográficas da FLIR Systems.  

A miniaturização tem sido um dos principais desenvolvimentos no setor de microeletrônica  nas últimas décadas. Dispositivos menores podem oferecer velocidades operacionais mais rápidas e sistemas mais compactos. Os avanços em  nanotecnologia e processamento de películas finas propagaram-se para várias outras áreas tecnológicas, incluindo células fotovoltaicas, materiais termoelétricos e sistemas microeletromecânicos (chamados de MEMS). As propriedades térmicas destes materiais e dispositivos são de extrema importância para o desenvolvimento contínuo desses sistemas de engenharia. Porém, há várias questões relacionadas ao transporte térmico nesses sistemas. Para lidar com essas preocupações com eficiência, é essencial ter um total entendimento  da natureza do transporte térmico em materiais na microescala.

Dissipação de Calor em CIs Tridimensionais

O Dr. Ankur Jain dirige o Laboratório de Termofísica de Microescala onde ele e seus alunos realizam pesquisas sobre o transporte térmico em microescala, sistemas de conversão de energia, gerenciamento térmico de semicondutores, transferência de biocalor e outros tópicos relacionados. A dissipação de calor em circuitos integrados (CIs) tridimensionais constitui um desafio tecnológico significativo e isso impediu a ampla adoção dessa tecnologia, apesar das inúmeras pesquisas realizadas nessa área nas duas últimas décadas. Por essa razão, pesquisadores do Laboratório de Termofísica em Microescala vêm realizando experiências para medir as principais características térmicas dos CIs 3D e desenvolvem modelos analíticos para entender o transporte térmico em um CI 3D.

Medição de Campos de Temperatura

Materiais de películas finas têm sido um recurso essencial da microeletrônica desde a sua criação, cumprindo diversas funções no chip. Para entender precisamente o comportamento térmico das películas finas, precisamos estar aptos a correlacionar propriedades térmicas com a microestrutura e morfologia avançadas relacionadas ao processo de deposição. Dessa forma, pode-se investigar propriedades como condutividade, módulo volumétrico, espessura e resistências de limites térmicos.

Em uma experiência de teste típico, as linhas de microaquecedores de um substrato são conectadas a uma fonte de energia. O dispositivo é aquecido através de aquecimento Joule. Assim, o campo de temperatura do substrato evolui como uma função do tempo.

 “Estamos especialmente interessados na evolução ao longo do tempo de um campo de temperatura em um microdispositivo”, diz o Dr. Ankur Jain. “Ao medir as propriedades térmicas do substrato, tentamos entender a natureza  fundamental da transferência de calor em microescala.” Na eletrônica, o calor geralmente é um efeito colateral indesejável da função do dispositivo primário. Portanto, é importante entender completamente os fenômenos térmicos transitórios em películas finas. “Ao entender como o calor flui em um microssistema, podemos minimizar os problemas de superaquecimento com eficiência. Isso nos ajuda a projetar microssistemas melhores e a fazer escolhas mais inteligentes em relação aos materiais. Por exemplo, realizamos um estudo para comparar as propriedades de transporte térmico de vários tipos de películas finas.”

“Em uma experiência de teste típico, conectamos linhas de microaquecedores de um substrato a uma fonte de energia. Ao fornecer uma quantidade muito pequena de corrente, aquecemos o aparelho usando o aquecimento Joule. Assim, o campo de temperatura do substrato evolui como uma função do tempo.”

Ankur Jain. “Ao medir as propriedades térmicas do substrato de um microdispositivo, tentamos entender a natureza fundamental da transferência de calor em microescala.”

Câmeras Termográficas

Para medir a temperatura em dispositivos microeletrônicos, a equipe do Dr. Ankur Jain usou uma grande variedade de técnicas, incluindo termopares. Um dos principais desafios dessa técnica é que os termopares só medem os valores de temperatura em um único ponto. Para ter uma ideia mais abrangente e visual do campo de temperatura, o Dr. Jain decidiu usar câmeras termográficas da FLIR. A câmera termográfica FLIR A6703sc foi projetada para inspeções eletrônicas, termografia médica, monitoramento de fabricação e ensaios não destrutivos. A câmera é a escolha ideal para captar eventos térmicos de alta velocidade e alvos em movimento rápido. Tempos de exposição curtos permitem que os usuários congelem o movimento e realizem medições precisas de temperatura. A saída de imagem da câmera pode ser exibida em janelas para aumentar as taxas de quadros para 480 quadros por segundo, de modo a caracterizar com precisão até mesmo eventos térmicos de alta velocidade, ajudando a garantir que os dados fundamentais não sejam perdidos durante os testes. 

“Os fenômenos térmicos em dispositivos que nos interessam ocorrem muito rapidamente e precisamos de informações completas sobre o campo e não das medições de um único ponto”, diz o Dr. Ankur Jain. “A FLIR A6703sc nos ajudou durante as experiências, já que a câmera exibe detalhes muito finos do dispositivo que está sendo medido.”

Software de Análise Térmica para Aplicações Científicas e de Pesquisa

A equipe do Dr. Ankur Jain também tem usado o software de análise ResearchIR da FLIR para aplicações  científicas e de pesquisa. O ResearchIR é um pacote de software simples e avançado de análises térmicas para comando e controle do sistema da câmera, gravação de dados em alta velocidade, análise em tempo real ou de reprodução e geração de relatórios. “O software ResearchIR da FLIR provou ser muito útil em nossa equipe”, diz o Dr. Ankur Jain. “Especialmente o recurso de salvar nossas gravações térmicas e, em seguida, compartilhá-las em vários PCs para serem analisadas posteriormente. O ResearchIR melhorou muito a colaboração dentro da equipe e, também, a colaboração entre nossa equipe e outras equipes.”

Ankur Jain: “Estamos especialmente interessados na evolução ao longo do tempo de um campo de temperatura em um microdispositivo. “Ao medir as propriedades térmicas do substrato, tentamos entender a natureza fundamental da transferência de calor em microescala.”

Ankur Jain: “O software ResearchIR da FLIR melhorou muito a colaboração dentro da equipe e, também, a colaboração entre nossa equipe e outras equipes.”