[論文レビュー] Thermal Transient Characterization of Packaged Thin Film Microcoolers

Kazuhiko Fukutani, Reena Singh+1 more|ArXiv.org|Sep 12, 2007

Thermal properties of materials参考文献 9被引用数 3

ひとこと要約

本研究では、100 ns程度の時間分解能を持つ共面プローブシステムを用いて、パッケージ済みおよびパッケージ未実装の薄膜マイクロクーラーの熱的過渡応答にネットワーク同定によるデコンボリューション（NID）を適用し、個々の層の熱抵抗を分離した。この手法により、理論と整合するバッファ層およびシリコン基板の熱抵抗が成功裏に抽出されたが、上層のスラブ構造の熱抵抗を下層のSiNx層から解離するには、より高速な過渡応答が必要であることが明らかになった。

ABSTRACT

A network identification by deconvolution (NID) method is applied to the thermal transient response of packaged and unpackaged microcoolers. A thin film resistor on top of the device is used as the heat source and the temperature sensor. The package and the bonding thermal resistances can be easily identified by comparing structure functions. High-speed coplanar probes are used to achieve a short time resolution of roughly 100ns in the transient temperature response. This is used to separate the thermal properties of the thin film from the substrate. The obtained thermal resistances of the buffer layer and Silicon substrate are consistent with the theoretical calculations. In order to estimate the superlattice thermal resistance and separate it from the thin SiNx layer deposited underneath the thin film resistive sensor, an order of magnitude faster thermal transient response is needed.

研究の動機と目的

• パッケージ済み薄膜マイクロクーラーの熱的過渡応答を、高い時間分解能で特徴付けること。
• マルチレイヤー構造に含まれるバッファ層およびシリコン基板などの個々の熱抵抗を分離・定量すること。
• 現在の測定分解能の限界が、スラブ構造の熱抵抗を解離する際に及ぼす影響を評価すること。
• 測定された熱抵抗値を理論的予測と比較し、検証すること。
• スラブ構造と下層のSiNx層のような密接に配置された熱的層を区別するための、より高速な過渡応答の必要性を特定すること。

提案手法

• 薄膜抵抗素子がマイクロクーラー表面の熱源および温度センサーとして機能する。
• 高速な共面プローブにより、過渡温度測定の時間分解能が約100 nsに達する。
• 過渡応答から熱ネットワークパラメータを抽出するために、ネットワーク同定によるデコンボリューション（NID）が適用される。
• パッケージ済みおよびパッケージ未実装デバイスの構造関数を比較し、パッケージおよびボンディングの熱抵抗を特定する。
• バッファ層およびシリコン基板の理論的熱抵抗を計算し、検証に用いる。
• この手法により、時間領域解析を通じて薄膜の熱的性質と基板の熱的性質を分離可能である。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 パッケージおよびボンディング層がパッケージ済みマイクロクーラーの全体的熱抵抗に果たす寄与は何か？
• RQ2 過渡応答データを用いて、バッファ層およびシリコン基板の熱抵抗をどれほど正確に抽出できるか？
• RQ3 現在の時間分解能のもとで、NID手法はスラブ構造の熱抵抗を下層のSiNx層から解離できるか？
• RQ4 測定された熱抵抗値は、バッファ層および基板の理論的予測とどの程度一致するか？
• RQ5 スラブ構造がSiNx層に隣接する場合、その熱抵抗を解離するにはどの程度の時間分解能が必要か？

主な発見

• NID法により測定されたバッファ層およびシリコン基板の熱抵抗は、理論的計算と良好に一致した。
• パッケージ済みおよびパッケージ未実装デバイスの構造関数を比較することで、パッケージおよびボンディングの熱抵抗が成功裏に同定された。
• 100 nsの時間分解能により、薄膜と基板の熱的性質の分離が効果的に行えた。
• この手法により、現在の測定速度では、スラブ構造の熱抵抗を下層のSiNx層から解離できないことが明らかになった。
• スラブ構造の熱抵抗を区別するには、10倍速い過渡応答が必要であることが判明した。