[论文解读] 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 3

一句话总结

本研究采用去卷积网络辨识（NID）方法分析封装与非封装薄膜微型冷却器的热瞬态响应，利用时间分辨率约为100 ns的共面探针系统，分离各层的热阻。该方法成功提取出与理论一致的缓冲层和硅基底热阻，同时凸显了需提升瞬态响应速度以区分超晶格结构与下方SiNx层热阻的必要性。

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.

研究动机与目标

• 对封装薄膜微型冷却器进行高时间分辨率的热瞬态响应表征。
• 从多层结构中分离并量化各层热阻，包括缓冲层和硅基底。
• 评估当前测量时间分辨率在分辨超晶格结构热阻方面的局限性。
• 将实测热阻与理论预测值进行比较以验证结果。
• 识别出需提升瞬态响应速度，以区分紧密相邻的热层（如超晶格与下方SiNx层）的必要性。

提出的方法

• 薄膜电阻同时作为微型冷却器表面的热源和温度传感器。
• 采用高速共面探针实现约100 ns的时间分辨率，用于瞬态温度测量。
• 应用网络辨识去卷积（NID）方法，从瞬态响应中提取热网络参数。
• 通过比较封装与非封装器件的结构函数，识别封装与键合层的热阻。
• 计算缓冲层与硅基底的理论热阻，并用于结果验证。
• 该方法通过时域分析实现了薄膜与基底热性能的有效分离。

实验结果

研究问题

• RQ1 封装与键合层对封装微型冷却器整体热阻的贡献如何？
• RQ2 利用瞬态响应数据，能否准确提取缓冲层与硅基底的热阻？
• RQ3 在当前时间分辨率下，NID方法能否分辨出超晶格结构与下方SiNx层之间的热阻？
• RQ4 实测热阻与缓冲层和基底的理论预测值相比如何？
• RQ5 为分辨与SiNx层相邻的超晶格结构热阻，所需的时间分辨率达到何种水平？

主要发现

• 通过NID方法测得的缓冲层与硅基底热阻值与理论计算结果高度一致。
• 通过对比封装与非封装器件的结构函数，成功识别出封装与键合层的热阻。
• 100 ns的时间分辨率有效实现了薄膜与基底热性能的分离。
• 该方法表明，当前测量速度不足以分辨超晶格结构与下方SiNx层之间的热阻。
• 需将瞬态响应速度提高一个数量级，才能实现对超晶格热阻的充分分辨。