一种自散热芯片及其测温装置和方法
技术领域
本发明属于芯片散热
技术领域
，涉及一种MEMS系统中对芯片进行散热的方法及对芯片温度进行实时精确测量的装置，具体涉及一种自散热芯片及其测温装置和方法。背景技术
板载芯片是MEMS加工制造的主要形式，芯片及电子元器件在正常工作时会产生一定的热量，若不及时排散，芯片结温会升高，甚至引起器件或系统失效。随着微电子封装体积减小、功率增大，芯片单位体积发热量急剧增加，若温度过高易诱导失效，如：热击穿、结失效、金属化失效等；温度偏高则性能降低。此外，MEMS器件在芯片产生的持续热载荷工况下极易产生内部硅芯片、封装胶、基板等结构的热膨胀系数不匹配，由热失配导致芯片结构中产生层间热应力和热变形，结构界面之间的剥离应力和剪切应力会导致封装结构出现脱层和翘曲等现象，严重时可造成整个MEMS器件失效。然而，常规风冷、液冷、相变冷却方式需要增加风扇、循环系统、热管等装置，不适合应用于毫米级甚至微米级以下的MEMS系统。
由于MEMS系统中测量芯片温度具有非接触性、精度要求高等特点，故获得精确的芯片表面热变形等信息是几何测温的重点。随着传感器、计算机和信号处理技术的不断成熟与发展，以光学为基础的数字全息干涉三维形貌测量技术以其非接触、精度高、信息量大、速度快和自动化程度高等优点，近些年得到了快速发展及应用。数字全息干涉术是以CCD的光敏面作为记录介质，记录到的全息图经数字化处理后存储于计算机中；以数字傅里叶变换处理取代光学衍射来实现所记录物场的再现。通过对所记录的全息图强度分布作快速傅里叶变换运算，获得其空间频谱分布，从中分离并提取出物光波的频谱，然后再经逆傅里叶变换运算，便得到物光波复振幅分布。可以一次性地完成全息图的记录、再现、测量、数据处理和结果输出，具有很高的测量灵活性，且通过相位倍增方法增大干涉条纹密度，使测量最高可达到纳米级精度。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提出了一种芯片自散热方法及测温装置，基于分形理论设计芯片的微结构，在不增加额外散热装置的同时，提高芯片的自散热效率。并应用全息干涉技术对芯片进行测温，实时精确测量芯片温度。
一种自散热芯片，通过在芯片表面设计分形结构实现。分形结构包括一类分形、二类分形、三类分形、四类分形和五类分形。所述一类分形为将三角形三条边的中点依次连接。所述二类分形为将正方形九等分为中央正方形和边缘正方形，其中相邻的两个边缘正方形之间不设分割线。所述三类分形为将正方形分割为一个内接正三角形、一个等腰直角三角形，和两个直角三角形，正三角形与等腰直角三角形的底边相同。所述四类分形为将等腰直角三角形分为一个内接正方形和三个等腰直角三角形。所述五类分形为将等腰直角三角形分为一个正方形和两个等腰直角三角形。在进行多级分形时，上一级分形结构中的位于几何中心的图形不再进行分形。
将芯片四条边的中点依次连接，形成1个中心正方形和4个顶角三角形。
在中心正方形中设置4级二类分形，然后对1级二类分形得到的中央正方形进行1级三类分形，再对1级三类分形得到的内接正三角形和等腰直角三角形进行3级一类分形。对2级二类分形得到的中央正方形进行1级三类分形，再对1级三类分形得到的内接正三角进行3级一类分形。
对4个顶角三角形进行1级一类分形，在每个顶角三角形中得到1个中心三角形和3个边缘三角形。在中心三角形中进行2级四类分形，再分别对1级、2级四类分形得到的正方形进行3级二类分形和2级二类分形。在边缘三角形中进行1级一类分形，然后分别对中心三角形和边缘三角形进行1级五类分形和2级一类分形，并且对1级五类分形得到的正方形进行2级二类分形。
一种芯片测温装置，包括测量激光器、扩束镜、CCD相机、衰减镜、滤光片、楔形板、传动机构、联轴器、伺服电机、外壳、工作台、球铰链、计算机和供热激光器。
测量激光器固定在外壳上；楔形板的一端固定在工作台上，另一端与传动机构连接；传动机构固定在工作台上表面，通过联轴器与对固定在外壳上的伺服电机连接。在测量激光器和楔形板之间设置有扩束镜。CCD相机安装在工作台上表面，对准放置芯片的凹槽。在楔形板与芯片凹槽之间设置有衰减镜和滤光片。球铰链固定在工作台基座上，供热激光器固定在球铰链的球头杆上。计算机固定在外壳上。
作为优选，所述测量激光器选择波长为632.8nm的半导体激光器。
作为优选，所述的扩束镜采用准直扩束镜。
作为优选，所述的CCD相机采用线性CCD相机。
作为优选，所述的楔形板通过转动副与工作台上表面相连。
作为优选，所述的传动机构采用四杆机构与滚珠丝杠相配合的方式，滚珠丝杠型号为PGF1220。
作为优选，所述的伺服电机采用型号为SGMAHA3OOA21的安川伺服电机。
作为优选，所述的供热激光器与球铰链的球头杆采用螺纹连接。
一种芯片测温方法，采用上述芯片测温装置，通过伺服电机驱动传动机构，带动楔形板翻转，改变测量激光器发出的激光光束照射在芯片上的位置，通过CCD相机采集芯片表面干涉条纹的变化情况，获得芯片表面的温度值分布情况。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明通过在芯片上采用正方形与三角形相组合的多级分形结构，可以有效实现芯片的自散热效果，增大芯片的散热效率。
2、本发明通过采用将供热激光器与球铰链螺纹连接的方式，不仅可以更换不同功率的供热激光器，且轻松实现了对芯片提供不同方位热源的功能。
3、本发明通过应用四杆机构巧妙的实现了对楔形板进行角度的调整，使其可对激光束进行不同角度的干涉。
4、本发明通过将四杆机构与滚珠丝杠相结合、应用小型伺服电机进行驱动的方式，实现了对芯片测温区域精确的控制。
附图说明
图1为实施例中的测温装置整体示意图；
图2为实施例中的芯片自散热分形结构二维示意图；
图3为实施例中的芯片自散热分形结构三维示意图；
图4为实施例中的芯片与普通芯片的测温对比图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步的解释说明；
如图1所示，一种芯片测温装置，包括测量激光器1、扩束镜3、CCD相机5、衰减镜6、滤光片7、楔形板9、传动机构、联轴器13、伺服电机14、外壳15、工作台、球铰链18、计算机23和供热激光器19。其中传动结构包括连杆10、滑块11和滚珠丝杠12，工作台包括台柱16、平台基座17和平台上表面21。平台基座17放在地面上，外壳15罩在平台基座17上。测温元件等都安装在外壳内部空间，可以有效屏蔽掉外界无关因素的干扰。
测量激光器1固定在外壳15上；楔形板9的一端固定在平台上表面21，另一端与传动机构连接；传动机构固定在平台上表面21，通过联轴器13与对固定在外壳15上的伺服电机14连接。在测量激光器1和楔形板9之间设置有扩束镜3。CCD相机5安装在平台上表面21，对准放置芯片22的凹槽。在楔形板9与芯片凹槽之间设置有衰减镜6和滤光片7。球铰链18固定在平台基座17上，供热激光器19固定在球铰链18的球头杆上。计算机23固定在外壳15上。
测量激光器1发出波长为632.8nm的近红外激光2，通过准直扩束镜3扩散成一组细密的平行激光束4，平行激光束4经过楔形平板9后发生干涉，形成一组平行的干涉光8。干涉光8经过滤光片7被滤去干扰光，过滤后的光再经过衰减镜6降低光强，达到CCD相机5的较佳观测强度。经过衰减镜6后的干涉光打到芯片22表面，形成致密的等宽度干涉条纹。由于芯片22受热会产生微小的变形，导致在投射到芯片22表面的干涉条纹形状发生改变，由CCD相机5记录干涉图像，输入到计算机23，经过由MATLAB语言编辑的图像处理程序得到芯片表面的热形变和温度场分布图。
楔形平板9与连杆10由转动副连接，连杆10与滑块11通过转动副连接，滑块11地面与工作台上表面21光滑接触。传动机构由伺服电机14驱动，带动滚珠丝杠12转动，滚珠丝杠型号选为PGF1220。滚珠丝杠12的转动带动与其配合的滑块11进行直线运动，进而带动楔形平板9可进行一定角度范围的转动，从而实现了干涉光的可调性，使得机构测量具有一定的灵活性。
供热激光器19与球铰链18通过螺纹连接，具有可拆性，方便换用不同功率的激光器。球铰链18嵌套在平台基座17上，实现了稳定的定位。采用球铰链18可以轻松实现对激光器19进行一定角度范围内的转动，进而实现了对芯片22提供不同位置的热源。
如图2所示，一种芯片自散热方法，通过在芯片表面设计分形结构实现。分形结构包括一类分形、二类分形、三类分形、四类分形和五类分形。所述一类分形为将三角形三条边的中点依次连接。所述二类分形为将正方形九等分为中央正方形和边缘正方形，其中相邻的两个边缘正方形之间不设分割线。所述三类分形为将正方形分割为一个内接正三角形、一个等腰直角三角形和两个直角三角形，正三角形与等腰直角三角形的底边相同。所述四类分形为将等腰直角三角形分为一个内接正方形和三个等腰直角三角形。所述五类分形为将等腰直角三角形分为一个正方形和两个等腰直角三角形。在进行多级分形时，上一级分形结构中的位于几何中心的图形不再进行分形。
将芯片四条边的中点依次连接，形成1个中心正方形29和4个顶角三角形。
在中心正方形29中设置4级二类分形，然后对1级二类分形得到的中央正方形27进行1级三类分形，再对1级三类分形得到的内接正三角形和等腰直角三角形进行3级一类分形。对2级二类分形得到的中央正方形26进行1级三类分形，再对1级三类分形得到的内接正三角进行3级一类分形。
对4个顶角三角形进行1级一类分形，在每个顶角三角形中得到1个中心三角形和3个边缘三角形。在中心三角形中进行2级四类分形，再分别对1级四类分形得到的正方形25进行3级二类分形，对2级四类分形得到的正方形进行2级二类分形。在边缘三角形中进行1级一类分形，然后分别对中心三角形和边缘三角形28进行1级五类分形和2级一类分形，并且对1级五类分形得到的正方形24进行2级二类分形。
如图3所示，中心正方形29中的第4级二类分形得到的正方形凸出基板60μm，边缘三角形28中的第1级五类分形与第2级一类分形得到的正方形和三角形凸出基板60μm，中央正方形27中的第3级一类分形得到的三角形均凸出基板60μm。
如图4所示，设置环境温度为22℃时，用2W功率的热源加热4s，芯片冷却30s，其余条件相同时，本实施例中的芯片比普通芯片在相同时间内温度可多下降5℃左右。因此本实施例设计的基于多级分形结构组合的方式可以有效降低芯片温度，起到了芯片自散热功能，增大了芯片散热效率。
