[论文解读] 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 14

一句话总结

本文提出了一种用于表征热界面材料（TIMs）的新型静态实验装置，能够以高精度测量热导率和界面热阻。通过结合受控的热测试与高分辨率聚焦离子束（FIB）成像，建立了填料含量、颗粒尺寸和孔隙形成与热性能之间的定量结构-性能关联，从而实现电子封装中更精确的热仿真。

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.

研究动机与目标

• 开发一种可靠的实验方法，用于测量TIMs的热导率和界面热阻。
• 通过提供高保真的材料数据，实现电子系统中精确的热仿真。
• 基于填料含量和颗粒尺寸等微观结构特征，建立TIMs的结构-性能关系。
• 利用高分辨率FIB成像分析界面处的孔隙形成，评估其对热阻的影响。
• 通过实验验证的材料参数支持仿真模型，以提高预测精度。

提出的方法

• 采用静态测量装置，在TIM样品上施加受控的热梯度。
• 通过稳态热流测量确定热导率和界面热阻。
• 采用高分辨率聚焦离子束（FIB）成像分析TIMs的微观结构特征。
• 从FIB横截面图像中量化界面处的颗粒尺寸、填料含量和孔隙分布。
• 将实验数据与仿真模型相关联，以验证材料输入参数。
• 该方法可在受控环境条件下实现可重复、可再现的测量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在受控条件下，如何精确测量TIMs的热导率和界面热阻？
• RQ2 填料含量和颗粒尺寸对TIMs热性能有何影响？
• RQ3 界面处的孔隙形成如何影响界面热阻？
• RQ4 FIB成像在多大程度上可定量关联微观结构与热性能？
• RQ5 实验获得的TIM数据能否提高电子封装中热仿真模型的精度？

主要发现

• 静态测量装置可实现对TIMs热导率和界面热阻的精确测定，且具有高可重复性。
• 已明确建立填料含量与热导率之间的清晰关联，填料含量越高，性能越优。
• 颗粒尺寸分布显著影响界面热阻，颗粒更小且分布均匀的样品表现出更低的热阻。
• 通过FIB成像直接观察到界面处的孔隙形成，并证实其显著增加了界面热阻。
• 实验与微观结构分析的结合，可为热仿真模型提供更优的输入数据。
• 该方法为电子热管理中热仿真工具的验证与校准提供了可靠框架。