[論文レビュー] Characterization of Thermal Interface Materials to Support Thermal Simulation

R. Schacht, D. May+5 more|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Thermal properties of materials参考文献 3被引用数 14

ひとこと要約

本稿では、熱界面材料（TIM）の特性を高精度で測定するための新規な静的実験設定を提示している。制御された熱的試験と高解像度のFIB画像法を組み合わせることで、充填材含有量、粒子径、空孔形成と熱的性能との間の定量的構造-物性相関を確立した。これにより、電子部品のパッケージングにおけるより正確な熱的シミュレーションが可能となった。

ABSTRACT

In this paper new characterization equipment for thermal interface materials is presented. Thermal management of electronic products relies on the effec-tive dissipation of heat. This can be achieved by the optimization of the system design with the help of simulation methods. The precision of these models relies also on the used material data. For the determi-nation of this data an experimental set-up for a static measurement is presented, which evaluates thermal conductivity and interface resistance of thermal inter-face materials (e.g. adhesive, solder, pads, or pastes). A qualitative structure-property correlation is pro-posed taking into account particle size, filler content and void formation at the interface based on high resolution FIB imaging. The paper gives an overview over the set-up and the measurement technique and discusses experimental and simulation results.

研究の動機と目的

• TIMの熱伝導率および界面抵抗を正確に測定するための信頼性の高い実験的手法の開発を目的とする。
• 高精度な材料データを提供することで、電子システムにおける正確な熱的シミュレーションを可能にする。
• 充填材含有量や粒子径などの微細構造的特徴に基づいたTIMにおける構造-物性相関を確立すること。
• 高解像度のFIB画像法を用いて界面における空孔形成を分析し、それが界面熱抵抗に与える影響を評価すること。
• 実験的に検証された材料パラメータをシミュレーションモデルに統合し、予測精度の向上を図ること。

提案手法

• TIM試料に制御された熱勾配を印加するための静的測定装置を用いる。
• 定常状態における熱流量測定により、熱伝導率および界面抵抗を決定する。
• 微細構造的特徴の分析に、高解像度のフォーカスドアイタイプ（FIB）画像法を採用する。
• FIB断面画像から粒子径、充填材含有量、界面における空孔分布を定量的に評価する。
• 実験データとシミュレーションモデルを照合させ、材料入力パラメータの妥当性を検証する。
• 制御された環境条件下で再現性の高い繰り返し測定が可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 制御された条件下で、TIMの熱伝導率および界面抵抗をどのように正確に測定できるか。
• RQ2 充填材含有量および粒子径がTIMの熱的性能に与える影響は何か。
• RQ3 界面における空孔形成が界面熱抵抗に与える影響は何か。
• RQ4 FIB画像法を用いることで、微細構造と熱的性能をどの程度定量的に結びつけることができるか。
• RQ5 実験的TIMデータは、電子部品パッケージングにおける熱的シミュレーションモデルの精度を向上させることができるか。

主な発見

• 静的測定装置により、再現性の高い高精度なTIMの熱伝導率および界面抵抗の測定が可能となった。
• 充填材含有量と熱伝導率の間に明確な相関関係が確認され、高濃度の充填材含有が性能向上に寄与することが示された。
• 粒子径分布が界面抵抗に顕著な影響を及ぼし、粒子が小さく均一に分布している場合に界面抵抗が低減した。
• FIB画像法により界面における空孔形成が直接観察され、これが界面熱抵抗の増加を引き起こすことが明らかになった。
• 実験的測定と微細構造解析を統合することで、熱的シミュレーションモデルにおける入力データの改善が可能となった。
• 本手法は、電子機器の熱管理における熱的シミュレーションツールの検証およびキャリブレーションのための信頼性の高いフレームワークを提供する。