Influenza del materiale dell’ibrido

Congiuntamente alle problematiche del raffreddamento si devono tenere in considerazione anche gli aspetti meccanici del modulo rivelatore. Con l’ibrido in allumina sinterizzata le deformazioni dell’ibrido, a seguito dell’applicazione della potenza e del raffreddamento, avevano raggiunto livelli di allarme per l’affidabilità del modulo rivelatore. La deformazione dell’ibrido elettronico è dovuta :

- all’effetto bimetallico originato dalla differenza dei coefficienti di dilatazione termica della fibra di carbonio del frame e dell’allumina dell’ibrido. Tipicamente le ceramiche hanno un coefficiente di dilatazione termica alle temperature di nostro interesse tra 3x10-6 e 6x10-6 1/0C, mentre il composito da noi utilizzato ha coefficiente di dilatazione termica dell’ordine di 0.1 10-6 1/0C.

- all’applicazione del circuito elettrico sul substrato di allumina durante la costruzione dell’ibrido stesso1

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l’ibrido e’ un circuito elettrico multistrato che ottenuto da più processi detti di cottura “firing” in cui si applicano degli inchiostri sul substrato di allumina durante la costruzione dell’ibrido stesso. Gli inchiostri possono

La colla utilizzata può ridurre l’effetto bimetallico se il suo modulo elastico è sufficientemente piccolo da consentire lo scorrimento reciproco tra le lamine dei due materiali con piccoli sforzi di taglio.

Per far fronte a questi problemi si è deciso di valutare l’impiego del composito FR4 (fibra di vetro in matrice epossidica), che ha una maggiore planarità iniziale ed ha una rigidezza flessionale minore di quello in allumina. Questo e’ dovuto al fatto che lo spessore dei due e’ più o meno lo stesso, ma il modulo d’elasticità del FR4 e’ 20 GPa contro i 300 Gpa della ceramica. Tuttavia, se da un lato si riducono le deformazioni meccaniche, dall’altro si ha con l’FR4 una conducibilità termica decisamente inferiore (0.3 rispetto a 34 Watt/m C).

Per queste prove si applica una potenza di 2 watt sulle resistenze dell’ibrido e 0,7watt su quella posta sul rivelatore al silicio, per un totale di 2,7 watt. Questa condizione sovrastima la potenza nominale di progetto del 35%.

I risultati ottenuti sono riportati nel grafico di Figura 6.8, dove vengono direttamente messi a confronto gli andamenti delle temperature ottenuti con ibrido in allumina (A) ed in FR4 (B). Le termocoppie sono identificate secondo lo schema di Figura 6.6.

Figura 6.8 Confronto tra modulo con ibrido in allumina e FR4

Dall’analisi della Figura 6.8 si nota che a parità di temperatura del fluido, e delle caratteristiche canale di refrigerazione, si ottengono per i due moduli le stesse temperature sia sui tubi che sui ledge di alluminio. Nel caso con ibrido in allumina, si

700 0C. Alla fine si ottengono strutture autotensionate. Questo e’ evidenziato dalla perdita di planarità della ceramica stessa e dalla presenza di microcrack nelle piste elettriche stesse.

- 2 6 - 2 4 - 2 2 - 2 0 - 1 8 - 1 6 - 1 4 - 1 2 - 1 0 P r o b e ID A L U M I N A - 2 5 - 1 6 , 4 - 2 1 , 5 - 2 3 , 5 - 1 9 , 3 - 9 , 4 - 1 1 , 3 - 9 , 1 - 1 1 , 4 - 1 1 , 3 F R 4 - 2 5 - 1 5 , 8 - 2 2 , 2 - 2 3 , 2 - 1 9 , 6 - 1 0 , 4 - 1 2 , 8 - 1 0 , 6 - 9 , 5 - 1 2 , 9 T v e n A B C D E F G H I °C

nota invece una differenza nella temperatura dell’ibrido e in quelle del silicio di circa 2 gradi: la prima è facilmente comprensibile mentre le altre richiedono un maggiore approfondimento.

Sull’ibrido la temperatura si alza di circa 2 gradi centigradi con l’adozione del FR4, perché in questa zona si risente della bassa conducibilità termica in direzione ortogonale al piano dell’ibrido (0.34 W/mK), dovendo passare dai chips al frame di carbonio sottostante (Figura 6.9), per poi essere dispersa attraverso i ledges: “read out” e “dummy”.

L’abbassamento delle temperature sul silicio invece può essere attribuito alla conducibilità termica dell’ibrido in FR4 nel suo piano di 50 W/mK (150 volte superiore a quella in direzione ortogonale per la presenza dei circuiti di rame) che e’ superiore a quella dell’allumina. Trascurando infatti il calore ceduto all’ambiente per convezione naturale le uniche vie per la potenza generata sono verso il ledge “read out” o verso il ledge “dummy”; il cammino favorito rispetto a dove viene generato il calore, è quello a più bassa resistenza termica, ovvero quello verso il ledge più vicino. Utilizzando come materiale dell’ibrido l’FR4 si è diminuito il flusso di calore verso il ramo “dummy” per via della bassa Kzz e, nel contempo non si è penalizzato molto il ramo “read out” visto che questo ledge, per la sua posizione, risente anche del benefico effetto della Kxx e Kyy perché parte del percorso per lo smaltimento del calore corre parallelamente con la fibra di carbonio del frame che ha una conducibilità nel piano di 220 W/mK. La Figura 6.9 riporta uno schema semplificato bidimensionale del modulo che aiuta a comprendere la considerazione fatta sopra. Con un flusso di calore inferiore lungo il frame di carbonio, dall’ibrido verso il ledge “dummy”, si ottiene comprensibilmente una minore temperatura del sensore al silicio.

Figura 6.9 Schema 2D del modulo SS

Grigio= Fibra di carbonio

Giallo= Colla + kapton

Verde= Ibrido Celeste= Silicio Rosso= chips Read-out ledge Al dummy ledge 1 2

Per chiarire meglio quanto sopra detto si riporta in Figura 6.11 la funzione R della (6.1) tra i valori della conducibilità termica del FR4 (hFR4) rispetto a quelli dell’allumina (hal) al variare della distanza x dal centro dei chips.

(6.1)

R x( )

hFR4 x( )

hal x( )

:=

I percorsi di tipo 2 (vedi Figura 6.9) sono quelli che hanno una minore conduttanza mentre quelli di tipo 1 un aumento a causa della maggiore distanza tra i chips ed il ledge, come si vede meglio anche nello schema tridimensionale dell’ibrido in Figura 6.10; per i dettagli vedere l’Appendice E.

Figura 6.10 Schema dell’ibrido con chips e ledge per identificare X

Per distanze superiori ad 8 mm la conducibilità dell’ibrido in FR4 supera quella dell’allumina, grazie al contributo del rame della metallizzazione dei circuiti elettrici.

X

Ledge Chips

Figura 6.11 Rapporto conducibilità ibrido tra allumina e FR4

Riprendendo i risultati riportati in Figura 6.8 si nota come siano legate la temperatura dell’aria e quella dei rivelatori al silicio, data la grande superficie esposta alla convezione naturale con l’aria.

In conclusione: con l’adozione del FR4, accettando un piccolo riscaldamento dell’ibrido e quindi dell’elettronica montata su di esso, si ha un guadagno sulla temperatura dei rivelatori al silicio. Visto che questi sono i componenti più critici si è optato per adottare l’ibrido in FR4 per lo sviluppo dei successivi moduli. Anche dal punto di vista delle deformazioni meccaniche si sono avuti dei risultati incoraggianti rispetto alla precedente versione in ceramica.