FLIR 카메라로 드러난 마이크로 전자 장치의 열 특성
전자장치와 마이크로 전자장치의 개발에서 과도 열 정보는 장치나 특정 부품이 제대로 작동하는지를 검증하는 데 매우 중요합니다. 또한 차세대 마이크로 전자 장치의 성능은 마이크로 전자장치에 사용되는 여러 재료의 열물리 특성을 얼마나 제대로 이해하고 있느냐에 달려 있습니다. 알링턴 소재 텍사스 대학, 마이크로 열물리 연구소 책임자인 안쿠르 자인(Ankur Jain) 박사 연구 팀은 마이크로 열 전도와 관련한 다양한 주제를 연구하고 있습니다. 이 연구소는 FLIR Systems의 열화상 카메라를 포함해 다양한 최신 장비와 계측기를 사용하고 있습니다.
소형화는 지난 수 십년 동안 마이크로 전자장치 개발 산업에서 핵심 기술이었습니다.작은 장치는 더 빠른 동작 속도와 더욱 소형화된 시스템을 제공할 수 있습니다. 첨단 나노기술과 박막 프로세싱 기술은 광전지, 열전재료, 마이크로 전자 기계 시스템(MEMS)를 포함한 다양한 기술 분야까지 확산되었습니다. 이러한 재료와 장치의 열 특성은 지속적인 공학 시스템 개발에서 매우 중요한 역할을 합니다. 그러나 열 전이와 관련한 여러 문제점이 이 시스템에 존재합니다. 이러한 문제점을 효율적으로 해결하기 위해 마이크로 규모에서 열 전이의 특성을 완벽하게 이해하는 것이 중요합니다.
3D IC에서의 열방산
안쿠르 자인 박사는 마이크로 열물리 연구소의 책임자로써 학생들과 함께 마이크로 열 이동, 에너지 변환 시스템, 반도체 열 관리, 생체열 전달 및 관련 주제를 연구하고 있습니다. 지난 십 수년 동안 상당한 연구가 진행되었음에도 불구하고 3차원 집적 회로(IC)에서의 열방산은 해결해야 할 중대한 기술적 과제이며 이러한 기술의 보급을 가로막고 있습니다. 따라서 마이크로 열물리 연구소의 연구진들은 3D IC의 주요 열 특성을 측정하기 위한 실험을 진행하고 있으며 3D IC에서의 열 전달을 이해하기 위한 분석 모델을 개발하고 있습니다.
온도 영역 측정
박막 재료는 도입 이래 칩에서 다양한 기능을 제공하는 마이크로 전자장치의 필수 제원입니다. 박막의 열 행동을 완벽하게 이해하기 위해 우리는 증착 과정과 관련한 진화하는 미세구조 및 형태와 열 속성 간 상관 관계를 파악해야만 합니다. 이러한 방식으로 전도성, 벌크 모듈, 두께. 열 경계 저항과 같은 특성을 조사할 수 있어야 합니다.
일반적인 테스트 실험에서 기판에서의 마이크로히터 라인은 전원과 연결됩니다. 이 장치는 줄(Joule) 열 가열을 통해 가열됩니다. 따라서 기판의 온도 영역은 시간에 따라 진화합니다.
안쿠르 자인 박사는 "우리는 마이크로 장치에서 온도 영역의 시간에 따른 진화에 특히 관심이 있습니다. 기판의 열 특성을 측정함으로써 우리는 마이크로 단위 열 전달의 근본적인 특성을 이해하기 위해 노력하고 있습니다."라고 말했습니다. 전자장치에서 열은 주요 장치 기능에 원하지 않는 부작용을 일으키는 경우가 종종 있습니다. 따라서 박막에서 과도 열 현상을 완벽하게 이해하는 것이 중요합니다. “마이크로시스템에서 열이 어떻게 흐르는지 학습함으로써 우리는 과열 문제를 효율적으로 최소화할 수 있습니다. 이를 통해 우리는 우수한 마이크로시스템을 설계하고 보다 효과적인 재료를 선택할 수 있습니다. 예를 들어, 우리는 여러 박막 타입의 열 전달 특성을 비고하기 위한 연구를 진행했습니다."
“일반적인 테스트 시험에서 우리는 기판의 마이크로히터 라인을 전원에 연결합니다. 극소량의 전류를 공급함으로써 우리는 줄(Joule) 열 가열을 통해 장치를 가열시킵니다. 따라서 기판의 온도 영역은 시간에 따라 진화합니다.
안쿠르 자인 “마이크로 장치의 기판에서 열 특성을 측정함으로써 우리는 마이크로 단위 열 전달의 근본적인 특성을 이해하기 위해 노력하고 있습니다.
열화상 카메라
마이크로 전자장치에서 온도를 측정하기 위해 안쿠르 자인 박사 팀은 열전대를 포함한 다양한 기술을 사용했습니다. 이러한 기술의 주요 문제점은 열전대가 단일점에서의 온도 값만을 측정한다는 점이었습니다. 온도 영역의 보다 완벽한 시각적 영상을 위해 자인 박사는 FLIR의 열화상 카메라를 사용하기로 결정했습니다. The FLIR A6703sc열화상 카메라는 전자 제품 검사, 의료 온열 측정, 생산 모니터링 및 비파괴 검사를 위해 설계되었습니다. 이 카메라는 고속 열 이벤트와 빠르게 움직이는 표적을 캡쳐 하는 데 적합합니다. 짧은 노출 시간을 통해 사용자는 모션을 캡쳐하고 정확한 온도를 측정할 수 있습니다. 카메라 이미지 출력을 윈도우 모드로 설정해 프레임속도를 초 당 480 프레임으로 증가시켜 시험 동안 중요한 데이터를 놓치지 않도록 고속 열 이벤트조차도 정확하게 측정할 수 있습니다.
안쿠르 자인 박사는 "관련 장치의 열 현상은 매우 빠르게 발생하기 때문에 단일점 측정과는 달리 모든 현장 정보가 필요합니다."라고 말합니다. “FLIR A6703sc를 통해 우리는 실험 동안 측정 중인 장치의 매우 섬세한 디테일을 얻을 수 있었습니다."
연구 및 과학 응용분야를 위한 열 분석 소프트웨어
안쿠르 자인 박사 팀은 또한 연구 및 과학 분야를 위해 FLIR의 ResearchIR 분석 소프트웨어를 이용했습니다. ResearchIR는 카메라 시스템 명령 및 제어, 고속 데이터 기록, 실시간 또는 재생 분석 및 보고를 위한 강력하고 사용이 간편한 열분석 소프트웨어 패키지입니다. 안쿠르 자인 박사는 "FLIR의 ResearchIR 소프트웨어는 우리 팀에서 매우 유용한 것으로 입증되었습니다."라며 “특히 열 기록을 저장한 후 추가 분석을 위해 여러 대의 PC에서 공유할 수 있는 기능은 매우 유용했습니다."라고 말했습니다. ResearchIR은 우리와 다른 팀들 간의 협력 뿐만 아니라 내부 팀워크까지 대폭 향상시켜주었습니다.
안쿠르 자인: “우리는 특히 마이크로 장치에서 온도 영역의 시간에 따른 진화에 관심이 있었습니다. 마이크로 장치의 기판에서 열 특성을 측정함으로써 우리는 마이크로 단위 열 전달의 근본적인 특성을 이해하기 위해 노력하고 있습니다.
안쿠르 자인: “FLIR의 ResearchIR 소프트웨어는 우리와 다른 팀들 간의 협력뿐만 아니라 내부 팀워크까지 대폭 향상시켜주었습니다."