[논문 리뷰] Characterization of Thermal Interface Materials to Support Thermal Simulation

R. Schacht, D. May외 5명|ArXiv.org|2007. 09. 12.

Thermal properties of materials참고 문헌 3인용 수 14

한 줄 요약

이 논문은 열인터페이스재(TIMs)를 특성화하기 위한 새로운 정적 실험 설정을 제안하며, 높은 정밀도로 열전도도와 계면 저항을 측정한다. 통제된 열시험과 고해상도 FIB 영상 분석을 융합함으로써 필러 함량, 입자 크기 및 공극 형성과 열성능 간의 정량적 구조-성능 상관관계를 수립하여 전자 패키징에서 더 정확한 열 시뮬레이션을 가능하게 한다.

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.

연구 동기 및 목표

• 열인터페이스재(TIMs)의 열전도도와 계면 저항을 측정하기 위한 신뢰할 수 있는 실험 방법을 개발하기 위해.
• 고정밀 재료 데이터를 제공함으로써 전자 시스템에서 정확한 열 시뮬레이션을 가능하게 하기 위해.
• 필러 함량 및 입자 크기와 같은 미세구조적 특징을 바탕으로 TIMs의 구조-성능 상관관계를 수립하기 위해.
• 고해상도 FIB 영상 분석을 통해 계면에서의 공극 형성 현상을 분석하고, 이가 열저항에 미치는 영향을 평가하기 위해.
• 보다 정확한 예측 정확도를 확보하기 위해 실험적으로 검증된 재료 파rameter를 시뮬레이션 모델에 통합하기 위해.

제안 방법

• 열전도도와 계면 저항을 측정하기 위해 TIM 시료에 통제된 열기울기를 적용하기 위해 정적 측정 설정을 사용한다.
• 정상상태 열흐름 측정을 통해 열전도도와 계면 저항을 결정한다.
• TIM의 미세구조적 특징을 분석하기 위해 고해상도 집중 이온선(FIB) 영상 기법을 활용한다.
• FIB 횡단면에서 입자 크기, 필러 함량 및 계면에서의 공극 분포를 정량화한다.
• 실험 데이터를 시뮬레이션 모델과 연계하여 재료 입력 파rameter의 타당성을 검증한다.
• 통제된 환경 조건 하에서 반복 가능하고 재현 가능한 측정이 가능하도록 한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 어떻게 통제된 조건 하에서 TIM의 열전도도와 계면 저항을 정확하게 측정할 수 있는가?
• RQ2 필러 함량과 입자 크기가 TIM의 열성능에 미치는 영향은 무엇인가?
• RQ3 계면에서의 공극 형성이 계면 열저항에 어떤 영향을 미치는가?
• RQ4 FIB 영상 분석을 통해 미세구조와 열성능 간의 정량적 연관성을 어느 정도 확립할 수 있는가?
• RQ5 실험적 TIM 데이터는 전자 패키징에서 열 시뮬레이션 모델의 정확도를 향상시키는 데 기여할 수 있는가?

주요 결과

• 정적 측정 설정은 높은 재현성으로 TIM의 열전도도와 계면 저항을 정밀하게 측정할 수 있도록 한다.
• 필러 함량과 열전도도 사이에 명확한 상관관계가 확인되었으며, 높은 필러 함량이 성능 향상에 기여함을 입증하였다.
• 입자 크기 분포가 계면 저항에 상당한 영향을 미치며, 더 작은 크기이면서 균일하게 분포된 입자는 더 낮은 저항을 유도함을 확인하였다.
• FIB 영상 분석을 통해 계면에서의 공극 형성이 직접 관측되었으며, 이로 인해 계면 열저항이 증가하는 것으로 확인되었다.
• 실험적 데이터와 미세구조 분석을 융합함으로써 열 시뮬레이션 모델의 입력 데이터 향상이 가능해졌다.
• 이 방법은 전자기기 열관리 분야에서 열 시뮬레이션 도구의 검증 및 校정을 위한 신뢰할 수 있는 프레임워크를 제공한다.