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半導(dǎo)體與電子材料

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，熱管理在各個領(lǐng)域的需求變得越來越重要。電子設(shè)備的性能不斷地提高,，其發(fā)熱量也越來越大，這也意味著它們產(chǎn)生更多的廢熱，通過有效地管理電子設(shè)備產(chǎn)生的熱量對于創(chuàng)造市場上最安全和最高效的電子產(chǎn)品至關(guān)重要。如果沒有適當(dāng)?shù)臒峁芾?，電子設(shè)備的性能會降低，壽命會縮短，能效也會降低。


這就是為什么電子產(chǎn)品的熱分析如此重要的原因——它能夠幫助設(shè)計人員找到最佳的散熱方法，確保電子設(shè)備的性能和效率。通過提供更有效的散熱技術(shù)，制造商不僅能夠顯著提高系統(tǒng)的處理能力，還能使設(shè)計更加緊湊和高效，滿足用戶對高性能和便攜性的需求。林賽斯提供導(dǎo)熱解決方案，使電子產(chǎn)品的熱分析能夠幫助設(shè)計師和制造商改進(jìn)他們的產(chǎn)品，有效提升電子產(chǎn)品的性能和可靠性。


半導(dǎo)體諸如硅（Si）、鍺（Ge）、砷化鎵（GaAs）或硫化鎘（CdS），已成為電氣工程中不可缺少的材料。它們不僅構(gòu)成了計算機(jī)、顯示器和智能手機(jī)等電子設(shè)備的基礎(chǔ)，而且在發(fā)光方面也變得越來越重要。

基于這些不同材料和復(fù)雜制造工藝的半導(dǎo)體材料和電子元件很難進(jìn)行分析和表征。現(xiàn)代熱分析測量技術(shù)提供了新思路，可為以下問題提供答案：
  • 硅芯片在什么情況下會破裂？
  • 電子元件的導(dǎo)熱系數(shù)是多少？
  • 熱傳感器在非常高的溫度下表現(xiàn)出什么行為？
  • 粘合劑系統(tǒng)是否足夠硬化？
  • 組件的熱路徑是否顯示出弱點(diǎn)？

半導(dǎo)體元件在使用過程中的熱行為可以通過熱分析測量方法來確定，也可以通過工藝步驟的效率來確定，包括層結(jié)構(gòu)和粘合性能。也可以實(shí)現(xiàn)對注入剖面（如硅中的硼）或潔凈室空氣（如有機(jī)成分）的控制。


無論您的任務(wù)是產(chǎn)品開發(fā)、質(zhì)量控制、過程優(yōu)化還是損壞分析，林賽斯都可以為您提供合適的產(chǎn)品。熱分析方法有無數(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域，如差示掃描量熱法（DSC）、熱重分析法（TGA）或熱（TCA）和電輸運(yùn)（HCS）測量，使用激光閃光（LFA）技術(shù)或我們成熟的 LSR 平臺，林賽斯在產(chǎn)品能力方面處于領(lǐng)先地位。

應(yīng)用 - 半導(dǎo)體與電子材料
相變材料熱導(dǎo)率的測定
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康銅樣品塞貝克系數(shù)的測定
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碲化鉍（Bi2Te3）ZT 值的直接測量
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無機(jī)物 / 半導(dǎo)體霍爾系數(shù)的測定
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熱電薄膜（金屬 / 合金）熱電性能的測量
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相變材料（PCM），也稱為潛熱儲存材料，它在一定的相變溫度下將其物質(zhì)狀態(tài)從典型的固體變?yōu)橐后w，反之亦然。相變材料在熔化或凝固過程中可以儲存或釋放大量的能量，因此，它可以用于冷卻或加熱應(yīng)用，最常見的應(yīng)用是冷敷袋和熱敷袋。除此之外，相變材料還廣泛應(yīng)用于餐飲、建筑、汽車或服裝等行業(yè)。水或醋酸鈉是眾所周知的 PCM ，后者可用于上述的加熱墊。


下圖所示的例子是兩種水合鹽的熱導(dǎo)率測試結(jié)果。在室溫下，兩種 PCMs 均為液體。將液體樣品裝入燒杯中，燒杯被置于回火液浴中。為了測量，將傳感器（THB/B/Metal）懸掛在液體樣品中，測量的溫度梯度為 -20 °C，-10 °C，0 °C，+10 °C，20 °C（室溫）和 +30 °C ，因此測量是從材料的固態(tài)開始的。在每個溫度水平下記錄三個測量點(diǎn)并取平均值。


試樣 A 的熱導(dǎo)率隨著升溫至 0 ℃ 略有增加，而試樣B的熱導(dǎo)率略有下降。在 0 ~ 10 ℃ 的溫度范圍內(nèi)，兩種樣品都從固態(tài)變?yōu)橐簯B(tài)，這也可以從熱導(dǎo)率的下降中清楚地看到。隨著溫度的繼續(xù)升高，兩種樣品的熱導(dǎo)率均略有增大?？偟膩碚f，樣品 B 比樣品 A 表現(xiàn)出更高的熱導(dǎo)率。


碲化鉍是唯一的 NIST 認(rèn)證的塞貝克系數(shù)參考材料。但它只能在 120 °C 的最高溫度下使用?？点~的使用溫度可以高達(dá) 800 °C ，因此可用作高溫校準(zhǔn)材料。通過計算斜率的方法，在每個溫度測量點(diǎn)使用不同的溫度梯度，并從所得直線的斜率計算塞貝克系數(shù)，可提高測量準(zhǔn)確度。


在 -143 °C 至 172 °C（130 K 至 445 K）的溫度范圍內(nèi)測量康銅參考樣品的塞貝克系數(shù)，使用斜率方法（見插圖）來測量每個溫度點(diǎn)的塞貝克系數(shù)。在每個溫度下，對樣品施加多個溫度梯度，并從所得直線的斜率來計算塞貝克系數(shù)。結(jié)果可以用相對塞貝克系數(shù)或絕對塞貝克系數(shù)對 Pt 作圖。

熱電優(yōu)值（ZT）是用于表征熱電材料熱電性能的重要參數(shù)。通常 ZT 是由熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率以及塞貝克系數(shù)計算出來的，這三個參數(shù)是分別測量的，每次測量都具有一定的誤差。哈曼法允許僅在一次測量中直接測量 ZT ：在熱電材料上施加電流，由于珀?duì)栙N效應(yīng)，在樣品中產(chǎn)生溫度梯度，通過測量熱電壓和歐姆降，來計算熱電優(yōu)值 ZT 。


使用 Harman 法結(jié)合林賽斯 LSR-3 測量系統(tǒng)，分析了 NIST （SRM 3451）? 碲化鉍（Bi2Te3）參考物質(zhì)。測量結(jié)果清楚地顯示了在單個溫度測量點(diǎn)的典型電壓分布。在這種情況下，通過設(shè)置歐姆壓降和熱電壓降的關(guān)系，可以簡單地計算出室溫下的熱電優(yōu)值 ZT ，在室溫下ZT值為 0.50 。


熱電材料和微電子學(xué)是現(xiàn)代工業(yè)中一個廣泛的研究領(lǐng)域。與此同時，計算機(jī)芯片、電子電路板和處理器的小型化已經(jīng)達(dá)到納米級，與此同時，熱管理變得越來越重要。由于熱和磁場對大多數(shù)材料都有影響，因此確定其影響和熱電行為具有重要意義。


該圖顯示了一種厚度為 150 nm 的銻（Sb）薄膜樣品在室溫至 180 ℃ 的范圍內(nèi)霍爾系數(shù)、遷移率和電阻率的測量。它廣泛應(yīng)用于熱電材料領(lǐng)域（以合金的形式，例如 Bi1?XSbX），并在新興微電子領(lǐng)域中也有廣泛應(yīng)用?。然而，金屬銻的最大應(yīng)用是鉛酸電池中的鉛銻板。藍(lán)色曲線表示電阻率隨著溫度的升高而增加，對金屬樣品而言是正常的。橙色的曲線表示載流子的遷移率，其隨著電阻率的增加而減小。綠色曲線表示霍爾系數(shù)，它描述了載流子對外部磁影響的靈敏度。


熱電材料用于熱電發(fā)電機(jī)，通過溫度梯度將熱能轉(zhuǎn)化為電能。使用熱電優(yōu)值（ZT）來表征熱電材料的性能。為了計算熱電優(yōu)值，必須知道熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)。與相應(yīng)的塊狀材料相比，金屬薄膜具有較低的熱導(dǎo)率，而電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)受影響較小，因此 ZT 值較高。金屬薄膜在工業(yè)上具有廣泛的應(yīng)用，例如用于集成電路的制造。


采用直流磁控濺射法制備了厚度為 100 nm 的金（Au）納米層，在 225 ~ 375 K 的溫度范圍內(nèi)測量其熱導(dǎo)率、電導(dǎo)率和塞貝克系數(shù)，由這些參數(shù)計算得到 ZT 值。測得該薄膜的導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性約為塊狀材料的一半。結(jié)果表明了經(jīng)典尺寸效應(yīng)的明顯影響，并得到了驗(yàn)證，與 Wiedemann-Franz 定律完全一致。


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