[논문 리뷰] Thermal Transient Characterization of Packaged Thin Film Microcoolers

Kazuhiko Fukutani, Reena Singh외 1명|ArXiv.org|2007. 09. 12.

Thermal properties of materials참고 문헌 9인용 수 3

한 줄 요약

이 연구는 시간적 변화 응답에 대해 네트워크 식별(deconvolution) 기반의 NID를 적용하여 봉입된 및 봉입되지 않은 박막 마이크로쿨러의 열적 특성을 분석한다. ~100 ns의 시간 해상도를 갖는 공면 프로브 시스템을 사용하여 개별 층의 열저항을 분리한다. 이 방법은 이론과 일치하는 버퍼층 및 실리콘 기반재의 저항을 성공적으로 추출하였으며, 초층구조의 열저항을 기반 SiNx 층으로부터 분리하기 위해 더 빠른 일시적 응답이 필요하다는 점을 드러냈다.

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.

연구 동기 및 목표

• 봉입된 박막 마이크로쿨러의 열적 일시적 응답을 고시간 해상도로 특성화하기 위해.
• 다층 구조 내에서 버퍼층 및 실리콘 기반재를 포함한 개별 열저항을 분리하고 정량화하기 위해.
• 현재 측정 해상도의 한계가 초층구조의 열저항을 분리하는 데 영향을 미치는지 평가하기 위해.
• 측정된 열저항을 이론적 예측과 비교하여 검증하기 위해.
• 초층구조와 기반 SiNx 층과 같은 밀접하게 배열된 열층을 구분하기 위해 더 빠른 일시적 응답이 필요한지 확인하기 위해.

제안 방법

• 박막 저항체가 마이크로쿨러 표면에서 열원이자 온도 센서로 기능한다.
• 고속 공면 프로브를 통해 일시적 온도 측정에 약 100 ns의 시간 해상도를 확보한다.
• 일시적 응답에서 열네트워크 파rameter를 추출하기 위해 네트워크 식별(deconvolution) 기반의 NID를 적용한다.
• 봉입된 및 봉입되지 않은 장치의 구조 함수를 비교하여 봉입 및 접합 열저항을 식별한다.
• 버퍼층 및 실리콘 기반재의 이론적 열저항을 계산하고, 이를 검증에 사용한다.
• 이 방법은 시간 영역 분석을 통해 박막의 열특성과 기반재의 열특성을 분리할 수 있다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 봉입된 마이크로쿨러에서 봉입 및 접합 층이 전체 열저항에 기여하는 정도는 어떠한가?
• RQ2 일시적 응답 데이터를 사용할 때 버퍼층 및 실리콘 기반재의 열저항을 얼마나 정확하게 추출할 수 있는가?
• RQ3 현재 시간 해상도로 NID 방법이 초층구조의 열저항을 기반 SiNx 층으로부터 분리할 수 있는가?
• RQ4 측정된 열저항은 버퍼층 및 기반재에 대한 이론적 예측과 어떻게 비교되는가?
• RQ5 초층구조 층이 SiNx 층과 인접해 있을 때 열저항을 분간하기 위해 필요한 시간 해상도는 어느 정도인가?

주요 결과

• NID 방법으로 측정된 버퍼층 및 실리콘 기반재의 열저항은 이론적 계산과 양호한 일치를 보였다.
• 봉입된 및 봉입되지 않은 장치의 구조 함수를 비교함으로써 봉입 및 접합 열저항이 성공적으로 식별되었다.
• 100 ns의 시간 해상도 덕분에 박막과 기반재 간의 열특성을 효과적으로 분리할 수 있었다.
• 이 방법은 현재 측정 속도가 초층구조의 열저항을 기반 SiNx 층으로부터 분리하기에 부족하다는 것을 드러냈다.
• 초층구조 열저항을 구분하기 위해 약 10배 빠른 일시적 응답이 필요하다.