Packaging

Il package deve, in generale, rispondere a requisiti di compatibilità ed adattabilità; la possibilità di confinare la zona di contatto tra fluido e chip garantirebbe un più vasto range di applicazioni come, ad esempio, il rilevamento di liquidi e di sostanze chimiche; caratteristica essenziale è, poi, la compatibilità con chip prodotti utilizzando differenti processi tecnologici.

La scelta del materiale da utilizzare svolge un ruolo fondamentale; da questo punto di vista, prerogative indispensabili sono la trasparenza ed una buona robustezza; la prima agevola l’allineamento della struttura sensibile nel canale (dove avverrà il passaggio del fluido), e la seconda consente di evitare graffi, incisioni, scalfiture non volute sull’adattatore durante la fase di assemblaggio e permette, inoltre, un’ accurata esecuzione dello scavo. La scelta è caduta sul PMMA (polimetilmetacrilato, noto anche con il nome

4 Risultati sperimentali

116

commerciale di plexiglass), un materiale molto trasparente e con buone proprietà meccaniche.

La progettazione del package è stata coadiuvata dall’utilizzo di opportuni software dedicati alla grafica vettoriale. Più componenti in PMMA, concepiti per l’assemblaggio finale, sono stati opportunamente disegnati, tenendo in considerazione le dimensioni effettive del chip. I vari elementi sono stati realizzati utilizzando una fresa di precisione (VHF CAM 100). Essa è dotata di un’interfaccia grafica con la quale l’utente può interagire. Si ha la possibilità di impostare svariati parametri, come la profondità di scavo, il numero di passate, il tipo di punta e così via. Ciò consente un elevato grado di precisione nella realizzazione dell’oggetto finito.

Il package realizzato in questo lavoro di tesi è il risultato dello sviluppo di un metodo di packaging a basso costo, proposto in un lavoro precedente [19], che si basa sull’utilizzo di un blocco in PMMA, tramite il quale più flussi di gas possono essere convogliati in differenti aree del chip.

Il package fabbricato consiste di tre differenti elementi: un convogliatore, un adattatore e un connettore al quale verranno fissati i tubicini in acciaio inox, che consentiranno, poi, la connessione alla linea del gas; lo schema del package realizzato è riportato in Figura 4.1.

4 Risultati sperimentali

117

Il convogliatore ha la superficie anteriore piana, che è quella che andrà a contatto con il chip, di dimensioni lievemente più ridotte rispetto all’area delimitata dai pad del chip; su tale superficie vengono scavati tre canali, ciascuno dei quali avrà il compito di convogliare il gas su una delle tre strutture di sensing a doppio riscaldatore presenti sul chip. Ogni canale viene messo in comunicazione con la superficie posteriore del convogliatore stesso tramite la realizzazione di due fori, uno per ogni estremità del canale, di 0.6 mm di diametro; i fori e i canali vengono eseguiti tramite la fresa di precisione prima menzionata. In Figura 4.1, in realtà, vengono mostrati sulla faccia posteriore del convogliatore, esclusivamente per semplicità, solo 4 fori (corrispondenti, quindi, a due soli canali scavati nella superficie anteriore) invece dei 6 fori effettivi realizzati durante questo lavoro di tesi. Il convogliatore viene fissato alla superficie superiore del chip con l’ausilio di una guida precedentemente allineata al chip tramite una fase di spostamenti micrometrici. Un sottile strato di cianoacrilato viene depositato manualmente sulla superficie anteriore del convogliatore, prima di porla a contatto con il chip; nel momento in cui le due superfici vengono messe a contatto, poi, una leggera pressione fra le due parti causa un allargamento dello strato di colla sulla superficie di contatto, provvedendo, in questo modo, a sigillare i canali realizzati.

La struttura viene, poi, rinforzata, riempendo la camera del chip con colla a base di cianoacrilato che fissa il convogliatore al package ceramico. Dopo aver incollato il convogliatore, la guida utile in fase di allineamento è stata rimossa.

Scopo del package è quello di consentire la connessione del dispositivo ai tubicini, del diametro di 1.2 mm di diametro, di una linea del gas di riferimento; poiché i fori ottenuti sulla superficie posteriore del convogliatore sono troppo vicini fra loro e di diametro troppo piccolo per consentire questo, è stato previsto un adattatore in PMMA, il cui scopo è quello di aumentare la distanza fra i fori del convogliatore per mezzo di scavi, tramite i quali i fori sulla superficie del convogliatore vengono messi in contatto per mezzo di un canale, con punti più distanti dal centro del convogliatore stesso; questi ultimi, infine, vengono messi a contatto con fori, di dimensioni maggiori, praticati, lungo tutto lo spessore, in un parallelepipedo sovrastante che funge da connettore; quest’ultimo, fissato sulla superficie dell’adattatore, svolge la duplice funzione di sigillare i canali praticati nella superficie dell‘adattatore e di consentire la connessione del dispositivo a tubi in acciaio inox, che permetteranno, infine, il collegamento del flussimetro alla linea del gas.

4 Risultati sperimentali

118

La fase di allineamento dell’adattatore e del connettore al convogliatore è stata scrupolosamente effettuata manualmente con l’ausilio di un microscopio ottico a basso ingrandimento. Una foto del banco di lavoro sul quale l’allineamento è stato svolto è mostrata in Figura 4.2.

Figura 4.2 Banco di lavoro utilizzato nella fase di allineamento dell’adattatore e del connettore al

convogliatore.

Adattatore e connettore sono stati incollati l’uno all’altro per mezzo di una colla a base di cianoacrilato.

In Figura 4.3 viene riportata una foto del dispositivo assemblato.

4 Risultati sperimentali

119

Appare evidente come uno degli aspetti che contribuiscono all’importanza del package consiste nel fatto che da esso dipende la forma e la sezione trasversale del canale attraverso cui il gas fluisce; questo aspetto, infatti, oltre ad avere delle ripercussioni sulla sensibilità e sull’estensione del range operativo delle portate, modifica, in maniera abbastanza marcata, la distribuzione del flusso intorno alle strutture di sensing.

Al termine della realizzazione del package, il sensore sotto test, può essere connesso, tramite dei tubicini in silicone fissati ad incastro ai tubi in acciaio inox prima menzionati, alla linea del gas.

Descriviamo, ora, le caratteristiche di tale linea di fornitura di azoto utilizzata per testare il dispositivo fabbricato in questo lavoro di tesi.