Las cámaras FLIR revelan características térmicas de los dispositivos microelectrónicos

En el desarrollo de dispositivos electrónicos y microelectrónicos, la información de cambios térmicos es crucial para validar si un dispositivo o una pieza específica de un dispositivo funcionan correctamente. Es más, el rendimiento de la nueva generación de dispositivos microelectrónicos dependerá de una mejor comprensión de las propiedades termofísicas de los distintos materiales utilizados en la microelectrónica. En la Universidad de Texas en Arlington, el equipo del Dr. Ankur Jain, que dirige el Microscale Thermophysics Laboratory (laboratorio de termofísica a microescala), estudia gran variedad de temas relacionados con el transporte térmico a microescala. El laboratorio utiliza distintos equipos e instrumentos modernos, incluidas cámaras termográficas de FLIR Systems.  

La miniaturización ha sido un desarrollo clave en el sector de la microelectrónica en las últimas décadas. Unos dispositivos más pequeños pueden ofrecer velocidades operativas más altas y sistemas más compactos. Los avances en la  nanotecnología y el procesamiento de película fina se han extendido a muy distintas áreas tecnológicas, como células fotovoltaicas, materiales termoeléctricos y sistemas microelectromecánicos (MEMS por sus siglas en inglés). Las propiedades térmicas de estos materiales y dispositivos son de vital importancia para el constante desarrollo de esos sistemas de ingeniería. Sin embargo, en estos sistemas hay una serie de preocupaciones relacionadas con el transporte térmico. Para abordar con eficacia estas preocupaciones, es fundamental comprender  del todo la naturaleza del transporte térmico en materiales a microescala.

Disipación del calor en 3D IC

El Dr. Ankur Jain dirige el Microscale Thermophysics Laboratory (laboratorio de termofísica a microescala), donde él y sus estudiantes investigan el transporte térmico a microescala, sistemas de conversión de energía, gestión térmica de semiconductores, transferencia de biocalor y temas relacionados. La disipación del calor en circuitos integrados tridimensionales (3D IC por sus siglas en inglés) es un desafío tecnológico considerable y ha dificultado la adopción generalizada de esta tecnología  a pesar de la intensísima investigación realizada en las dos últimas décadas. Así, los investigadores del Microscale Thermophysics Laboratory realizan experimentos para medir características térmicas clave de 3D IC y desarrollan modelos analíticos para comprender el transporte térmico en un 3D IC.

Medición de campos de temperatura

Los materiales de película fina son una característica esencial de la microelectrónica desde sus orígenes, utilizándose en gran variedad de funciones en el chip. Para comprender con precisión el comportamiento térmico de las películas finas, debemos poder correlacionar propiedades térmicas con la microestructura y la morfología en evolución relacionadas con el proceso de deposición. Así, sería posible investigar propiedades como la conductividad, el módulo de compresibilidad, el grosor y las resistencias de límite térmico.

En un experimento de prueba típico, se conectan líneas de microcalentadores en un sustrato a una fuente de alimentación. El dispositivo se calienta mediante el efecto Joule. Así, el campo de temperatura del sustrato evoluciona como una función de tiempo.

 «Estamos especialmente interesados en la evolución en el tiempo de un campo de temperatura en un microdispositivo», afirma el Dr. Ankur Jain. «Midiendo las propiedades térmicas del sustrato, intentamos entender la naturaleza  fundamental de la transferencia de calor a microescala». En la electrónica, el calor suele ser un efecto secundario indeseable de la función principal del dispositivo. Así, es importante comprender totalmente los fenómenos térmicos transitorios en las películas finas. «Aprendiendo cómo fluye el calor en un microsistema, podremos minimizar eficazmente los problemas de recalentamiento. Esto nos ayuda a diseñar mejores microsistemas y a tomar decisiones más inteligentes en cuestión de materiales. Por ejemplo, hemos elaborado un estudio para comparar las propiedades de transporte térmico de diferentes tipos de películas finas».

«En un experimento de prueba típico, se conectan líneas de microcalentadores en un sustrato a una fuente de alimentación. Suministrando una cantidad muy pequeña de corriente, calentamos el dispositivo mediante el efecto Joule. Así, el campo de temperatura del sustrato evoluciona como una función de tiempo».

Ankur Jain. «Midiendo las propiedades térmicas del sustrato de un microdispositivo, intentamos entender la naturaleza fundamental de la transferencia de calor a microescala».

Cámaras termográficas

Para medir la temperatura en dispositivos microelectrónicos, el equipo del Dr. Ankur Jain ha utilizado gran variedad de técnicas, incluidos los termopares. El principal desafío de esta técnica es que los termopares únicamente miden valores de temperatura en un solo punto. Para tener una imagen visual más completa del campo de temperatura, el Dr. Jain decidió utilizar cámaras termográficas FLIR. La cámara termográfica FLIR A6703sc se ha diseñado para para inspecciones electrónicas, termografía médica, supervisión de fabricación y pruebas no destructivas. La cámara es ideal para capturar eventos térmicos de alta velocidad y objetivos en rápido movimiento. Los tiempos de exposición cortos permiten a los usuarios congelar la imagen y conseguir mediciones precisas de temperatura. La salida de la imagen de la cámara puede dividirse en ventanas para aumentar a frecuencias de imagen de 480 fotogramas por segundo a y caracterizar con precisión eventos térmicos de alta velocidad, para que no se pierdan datos fundamentales durante las pruebas. 

«Los fenómenos térmicos en dispositivos que son de nuestro interés ocurren muy rápidamente y necesitamos información de campo completa y no mediciones de un solo punto», afirma el Dr. Ankur Jain. «La FLIR A6703sc nos ha ayudado durante nuestros experimentos, ya que nos ofrece detalles muy finos del dispositivo que se está midiendo».

Software de análisis térmico para aplicaciones de investigación y ciencia

El equipo del Dr. Ankur Jain también ha utilizando el software de análisis FLIR ResearchIR para aplicaciones  de investigación y ciencia. FLIR ResearchIR es un paquete de software potente y fácil de usar de análisis térmico para el control del sistema de cámara, la grabación de datos a alta velocidad, la creación de informes y el análisis en tiempo real o de la reproducción. «El software FLIR ResearchIR ha demostrado mucha utilizada para nuestro equipo», afirma el Dr. Ankur Jain. «De especial utilidad ha sido la capacidad de guardar nuestras grabaciones térmicas y compartirlas con varios PC para su posterior análisis. ResearchIR nos ha permitido mejorar mucho la colaboración dentro del equipo, así como con otros equipos».

Ankur Jain: «Estamos especialmente interesados en la evolución en el tiempo de un campo de temperatura en un microdispositivo. Midiendo las propiedades térmicas del sustrato de un microdispositivo, intentamos entender la naturaleza fundamental de la transferencia de calor a microescala».

Ankur Jain: «El software FLIR ResearchIR nos ha permitido mejorar mucho la colaboración dentro del equipo, así como con otros equipos».